DE2944083A1

DE2944083A1 - Kathodeneinrichtung zur abgabe von thermionen

Info

Publication number: DE2944083A1
Application number: DE19792944083
Authority: DE
Inventors: Masaji Ishii; Mitsuaki Saito; Hiroaki Tanji
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1978-11-01
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-05-14
Also published as: GB2038541B; JPS6023456B2; JPS5562639A; FR2440610B1; FR2440610A1; GB2038541A; DE2944083C2

Description

2944Q83

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kathodeneinrichtung gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Als Material für die Kathodenspitzc werden Materialien des Kalziumhexaborid-Typs, beispiels Lanthanhexaborid, verwendet. Boride der seltenen Erden, insbesondere Lanthanhexaborid, haben Eigenschaften, die sie als Kathodenmaterial in hohem Maße geeignet machen. Eine Eigenschaft, die den ausgedehnten Einsatz von Lanthanhexaborid als Emittermaterial verhindert hat, ist sein hohes Reaktionsvermögen bei den hohen Arbeitstemperaturen einer Glühkathode. Die meisten Materialien, die für die Stützkörper der Lanthanhexaborid-Kathodenspitze verwendet werden, reagieren mit dem Lanthanhexaborid, so daß die Stützkörper unbrauchbar werden. Daher ist die Lebensdauer der Kathoden kurz. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden bereits verschiedene Versuche mit Kathodeneinrichtungen der eingangs genannten Art durchgeführt, um die Stützkörper zu verbessern, die einerseits die Kathodenspitze halten und andererseits genügend thermische Energie zuführen sollen, damit die Kathodenspitze einen genügend großen Strahl thermischer Elektronen, sogenannte Thermionen, abgibt.

Eine Kathodeneinrichtung, bei der eine Kathodenspitze aus einem LaB_fi-Einkristall mit zwei Stücken aus glasartigem Kohlenstoff gehalten wird, die ihrerseits durch Molybdenbacken gehalten werden, ist aus der US-PS 4 054 946 bekannt. Das glasartige Kohlematerial ist jedoch außerordentlich unelastisch und brüchig, so daß es schwierig ist, dieses Material in die gewünschte Form und Größe zu bringen.

Aus der US-PS 4 068 145 ist eine Kathodeneinrichtung bekannt, bei

030020/0765

-A-

der Heizstücke aus pyrolytischem Graphit oder Bohrkarbid zum Halten und Aufheizen der Kathodenspitze verwendet werden. Bei der bekannten Kathodeneinrichtung werden unerwünschte Verschiebungen der Kathodenspitze aufgrund thermischer Deformation dadurch vermieden, daß die Heizstücke durch elastische, elektrisch leitfähige Stützen abgestützt werden. Bei der bekannten Kathodeneinrichtung ist jedoch der Stromverbrauch groß, wenn die Kathode aufgeheizt ist, und Temperaturänderungen treten auf, obwohl ein konstanter Strom an die Kathodeneinrichtung angelegt wird. Daher ist die Stabilität der Thermionenquelle nicht befriedigend. Ferner ist diese bekannte Kathodeneinrichtung bauaufwendig und groß, so daß sie nicht in die herkömmlichen Geräte mit Wolfram-Nadelkathoden eingesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kathodeneinrichtung mit hohem Wirkungsgrad und verlängerter Lebensdauer zu schaffen, wobei insbesondere die Heizstücke, die die Kathodenspitze zum Abgeben der Thermionen festhalten, verbessert werden sollen, indem sie einen engen Kontakt mit der Kathodenspitze halten, wenn die Kathodeneinrichtung auf Arbeitstenipcratur ist.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Hauptanspruch angegebene Kathodeneinrichtung gelöst, während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung charakterisieren.

Die lleizstücke bei der erfindungsgeniäßcn Kathodeneinrichtung werden dadurch erhalten, daß man ein Kohlematerial, insbesondere Lanthanhexaborid, welches bei den hohen Arbeitstemperaturen chemisch aktiv ist und sich zum Abstützen und gleichzeitigem Aufheizen der Kathodenspitze eignet, auf die gewünschte Form und Größe zurechtschneidet. Das Kohlematerial hat eine hohe Anisotropie aufgrund seiner Schichtstruktur, so daß beim Schneiden zwei

030020/0765

parallele, ebene Flächen senkrecht zur Druckrichtung vom Heißpressen gebildet werden. Diese Flächen können durch Schleifen geglättet werden, so daß diese Flächen eng an den entsprechenden Flächen der Kathodenspitzo anliegen können. Das Kohlematerial, welches für die Ileizstücke vorwendet wird, hat außer der Schichtstruktur und der damit verbundenen, vorteilhaften Anisotropie den Vorteil, daß es leicht hergestellt werden kann. Wenn das; erf indungsejemäß verwendete Kohlematerial für die Hei/.stücke eingesetzt wird, ergibt sich in vorteilhafter Weise ein konstanter Emissionsstrom (Abgabe von Thermionen) in einer kürzeren Zeitdauer, das Aufheizen wird mit geringerem Stromverbrauch möglich, die Heizleistung ist klein, und die Temperatur nach dem Aufheizen (d.h. die Arbeitstemperatur) wird stabil beibehalten. Dies sind die wesentlichen Vorteile im Vergleich zu den bekannten Kathodeneinrichtungen, bei denen pyrolytischer Graphit oder glasartiges Kohlematerial für die Heizstücke verwendet wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der wesentlichen Teile einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Temperaturänderung der Kat-hodenspitze mit der Zeit darstellt; und

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Änderung des Stromes durch die Meßprobe mit der Zeit darstellt (gemessen mit einem Faraday-Becher).

Die bei der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten Heizstücke, die auch die Kathodenspitze halten, werden unter Verwendung eines in hohem Maße orientierten Kohle-Gußstücks mit einer Schichtstruktur hergestellt. Das Gußstück wird dadurch erhalten,

030020/0765

daß man einen festen Gießkörper aus einem Harz (Kondensationsprodukt oder Polymeres), beispielsweise Acrylniltrilharz oder dgl., in einem Graphittieqel heißpreßt, wobei das Material unter der Wärmebehandlung nicht schmilzt und leicht in Graphit umgewandelt werden kann. Das Heißpressen wird unter einem Druck von 1OO bis 500 kg/cm bei Temperaturen von 1600 bis 3000°C in einer nicht-oxydierenden Atmosphäre durchtjeführt. Das auf diese Weise erhaltene Gußstück hat eine Schichtstruktur, bei der eine Ebene senkrecht zu der C-Achse der Graphit-Mikrokristalle außerordentlich hoch in der Richtung senkrecht zu der Druckrichtung orientiert ist. Danach wird das durch Heißpressen erhaltene Gußstück durch Schnitte senkrecht zu der Druckrichtung auf eine geeignete Größe zurechtgeschnitten, um einen Kohleblock zu erhalten.Der Kohleblock hat im wesentlichen die Form eines Würfels oder eines rechteckigen Prismas. In diesem Fall wird der Kohleblock in einer Richtung senkrecht zu der Druckrichtung bei dem Heißpressen und in der Richtung parallel zu der Druckrichtung bei dem Heißpressen in kleine Stücke geschnitten.

Beispiel:

Im Handel erhältliches Furanharz wurde gegossen und unter Verwendung von im Handel erhältlichem Anilinsulfat in herkömmlicher Weise ausgehärtet, um ein Harz-Gußstück mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 30 mm zu erhalten. Dieses Harz-Gußstück wurde in einen Graphittiegel mit einem Außendurchmesser von 700 mm, einem Innendurchmesser von 200 mm und einer Höhe von 700 mm gelegt. Unter Anlegung eines Druckes von 200 kg/cm in Längsrichtung des Harz-Gußstückes wurde das Harz-Gußstück auf 2200 C aufgeheizt, und diese Temperatur wurde während 30 min. gehalten. Danach wurde das Gußstück abgekühlt, um ein Kohle-Gußstück mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke von etwa 6 mm zu erhalten. Ein Würfel mit 50 χ 50 χ 50 mm wurde aus dem auf diese Weise erhaltenen Kohle-Gußstück in einer solchen Weise herausgeschnitten, daß zwei einander gegenüberliegende

030020/0765

Ebenen senkrecht zur Druckrichtung beim Heißpressen liegen. Dieser Kohleblock hatte eine Dichte von 2,10 g/cm und einen spezifischen Widerstand von 5 χ 10 u-flcm in der Druckrichtung und

3 χ 10 u-TLcm in der dazu senkrechten Richtung sowie eine ther-

mische Leitfähigkeit von 3 χ 10 C.G.S. in der Druckrichtung und 1 χ 10 C.G.S. in der dazu senkrechten Richtung.

Im folgenden wird die Kathodeneinrichtung beschrieben, bei der das Kohlematerial verwendet wird, welches in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellt worden ist.

Die Kathodeneinrichtung weist eine Kathodenspitze 1 aus Lanthanhexaborid auf. Die Kathodenspitze 1 wird von zwei Heizstücken 2,3 (bzw. 2¹, 3¹ in Fig. 2) abgestützt und aufgeheizt. Die Heizstücke 2,3 befinden sich in engem Kontakt mit den beiden Seiten der Kathodenspitze 1 und sind so angeordnet, daß die Seitenfläche des Heizstückes, die sich in engem Kontakt mit der Kathodenspitze befindet, senkrecht zu der C-Achse der Graphit-Mikrokristalle, d.h. senkrecht zu der Druckrichtung beim Heißpressen, liegt. Aus diesem Grunde haben die Heizstücke einen hohen Widerstand und eine geringe thermische Leitfähigkeit in der Flußrichtung des Stromes. Die Heizstücke 2,3 bzw. 2',3' werden ihrerseits von elastischen, elektrisch leitfähigen Stützen 4,5 gehalten, mit denen die Heizstücke nicht nur gehalten sondern auch befestigt werden. Die Stüzten 4,5 sind an einer Grundplatte 10 befestigt und mit elektrischen Anschlüssen 11,12 versehen, die sich in die Grundplatte erstrecken. Die elastischen Stützen sind gabelförmig ausgebildet, wobei der Boden der Gabel jeweils an der Grundplatte liegt. Schrauben 8,9 sind an den äußeren Stützschenkeln 6,7 der Stützen 4,5 eingeschraubt, um die Druckkraft auf die Heizstücke einstellen zu können. Die äußeren Enden der Schrauben werden in Kontakt mit den Außenflächen der Stützen 4,5 gebracht. Die Schrauben zur Steuerung der Druckkraft sollen verhindern, daß sich die Kathodenspitze und die Heizstücke unter dem Einfluß der Wärme deformieren, und die Kathodenspitze soll mit

03Ü020/0765

deren Hilfe an der richtigen Stelle gehalten werden.

Die Kathodeneinrichtung ist mit einer Konstantstrcwnquelle verbunden. Wenn ein festgelegter Strom an die Kathodeneinrichtung angelegt wird, werden die Heizstücke schnell aufgeheizt, so daß die Kathodenspitze ebenfalls aufgeheizt und auf Arbeitstemperatur gehalten wird.

Das hier verwendete Material für die Heizstücke kann leicht geschnitten und in die gewünschte Form und Größe gebracht werden. Wenn die Heizstücke pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann die Auflagefläche zwischen den Heizstücken und der Kathodenspitze reduziert und die Kontaktfläche mit den Stützen 4,5 verhältnismäßig groß gemacht werden. Dadurch kann eine unerwünschte Aufheizung der Stützen 4,5 vermieden und die Kathodenspitze schneller aufgeheizt werden.

Die hier beschriebene Kathodeneinrichtung hat die Vorteile, daß die Heizleistung geringer ist, daß die zum Anheben der Temperatur der Kathodenspitze erforderliche Zeit, d.h. die Zeit, bis die Kathodenspitze die Arbeitstemperatur erreicht, abgekürzt wird, und daß sowohl die chemische als auch die physikalische Stabilität bei hohen Temperaturen sichergestellt wird.

Um diese Vorteile zu zeigen, wird im folgenden ein Vergleich der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung mit einer Kathodeneinrichtung beschrieben, bei der in hohem Maße anisotroper, pyrolytischer Graphit für die Heizstücke verwendet wird. Beide Kathodeneinrichtungen wurden in einem Elektronenmikroskop mit Rasterabtastung eingesetzt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

030020/0765

TABELLE 1

Heizstücke

Annie ldungsgegenstand (A)

Pyrolytische Graphit-IIcizstücke (B)

Reaktion mit der. Kathodenspitze

Keine Reaktion nach 1062 Stunden Betriebszeit

Reaktionsprodukte an der Grenzfläche mit der Kathodenspitze nach 300 Stunden Betriebszeit (beobachtet mit optischem Mikroskop)

Zeitdauer, bis das obere Ende der Spitze
16OO C erreicht

8 min

21 min

Heizstrom
(Temperatur der Spitze 1600°C)

2,5 A

2,7 A

Heizleistung

Temperaturabfall (Fig. 3}

Stabilität des Probenstroms
(Fig. 4)

7,9 W klein stabil

10,2 W

groß

unstabil

In den Fig. 3 und 4 sind die Ergebnisse von Messungen gezeigt, wobei die Abhängigkeit der Temperatur von der Zeit und des Stromes von der Zeit bei der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung und einer Kathodeneinrichtung mit Heizstücken aus pyrolytischem Graphit gemessen wurden.

Bei der Kathodeneinrichtung mit Heizstücken aus pyrolytischem Graphit fällt die Temperatur nach einer Anfangsphase steil ab

030020/0765

(Kurve B in Fig. 3). Auch der durch die Kathodeneinrichtung fliepende Strom fiel nach einer gewissen Zeit steil ab (Kurve B in Fig. 4). Folglich war es nicht möglich, diese Testmessung nach 300 Stunden Meßdauer weiterzuführen. Am Ende der Testmessung wurden auf der Oberfläche des pyrolytischen Graphits der Heizstücke Reaktionsprodukte mit dem Material der Kathodenspitze festgestellt. Im Gegensatz dazu kann die erfindungsgemäße Kathodeneinrichtung selbst nach Ablauf von 1000 Stunden stabil betrieben werden, wie sich aus den Kurven A in den Fig. 3 und 4 ergibt.

Der bei den vorstehend beschriebenen Testmessungen verwendete, pyrolytische Graphit war ein Graphitmaterial, welches durch eine Wärmebehandlung bei 2000°C hergestellt wurde. Es ist allgemein bekannt, daß pyrolytischer Graphit eine hohe Anisotropie bei einer Hochtemperaturbehandlung erhält. Bei Heizstücken aus pyrolytischem Graphit,die einer Wärmebehandlung bei 32OO°C unterworfen wurden, ist der elektrische Strom, der zum Aufheizen der Kathodenspitze auf 1600°C erforderlich ist, gleich 4,2A und die Heizleistung ist 12,2 W. Diese Daten zeigen, daß allein das Maß an Anisotropie kein entscheidender Faktor dafür ist, daß dieses Material als Material für die Heizstücke zum Abstützen der Kathodenspitze bevorzugt ist. Der Grund, warum einer Wärmebehandlung von 2000 C unterworfener, pyrolytischer Graphit einem einer Wärmebehandlung von 3200 C unterworfenen pyrolytischen Graphit überlegen ist, besteht darin, daß der der Wärmebehandlung bei 3200 C unterworfene, pyrolytische Graphit eine höhere Anisotropie hat, weil die Orientierung in den Kristallflächen größer ist als bei dem einer Wärmebehandlung von 2000 C unterworfenen, pyrolytischen Graphit. Andererseits ist die Graphitisierung bei dem einer Wärmebehandlung von 32OO°C unterworfenen, pyrolytischen Graphit weiter fortgeschritten, so daß sein Widerstand reduziert ist. Pyrolytischer Graphit, der einer Wärmebehandlung bei tieferen Temperaturen unterworfen ist, enthält eine nicht-kristalline Phase und hat eine geringe Anisotropie. Daher ist solch ein pyrolytischer Graphit nicht für die Verwendung als Material für die Heizstücke

030020/0765

geeignet. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß die optimale Temperatur für die Wärmebehandlung ausgewählt werden muß, wenn pyrolytischer Graphit als Material für die Heizstücke verwendet wird. Außerdem bildet der pyrolytische Graphit keine vollständig parallelen Ebenen, selbst wenn seine Oberflächen fein geschliffen werden. Vollständig glatte Flächen ermöglichen es jedoch bei den in der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung verwendeten Heizstücken, daß die Heizstücke in vollständigen Kontakt mit der Kathodenspitze gebracht werden. Daher treten bei der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung weniger Änderungen in dem Kontaktwiderstand und daher weniger Änderungen in dem Strom auf. Ferner versetzen die Heizstücke in der erfindungsgemäßen Kathodeneinrichtung die Kathodenspitze in die Lage, stabil und kontinuierlich Elektronenstrahlen hoher Güte über eine lange Zeit auszusenden. Folglich kann die erfindungsgemäße Kathodeneinrichtung bei Verwendung in einem mit Elektronenstrahl arbeitenden, lithographischen System das beste Gerät liefern, welches für die Herstellung von VLSI-Bauteilen (VLSI = very large scale intergration) unumgänglich ist.

030020/0765

Claims

Ansprüche

M. Kathodeneinrichtung zur Abgabe von Thermionen mit einer Kathodenspitze zur Abgaoe der Thermionen, die Kathodenspitze tragenden Heizstücken aus einem Kohlcmaterial, die sich in Kontakt mit den beiden Seiten der Kathodenspitze befinden und die Kathodenspitze tragen, und mit elastischen, elektrisch leitfähigen, an einer Grundplatte befestigten Stützen, die in Druckkontakt mit den Außenflächen der Heizstücke angeordnet und zur Zufuhr eines elektrischen Stromes vorgesehen sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstücke (2,3; 2',3') Gußstücke sind, die dadurch hergestellt werden, daß man das Kohlematerial, welches durch Heißpressen eines Gießkörpers aus einem unter Wärmeeinwirkung nicht schmelzenden Kunstharz erhalten wird, zur Bildung von zwei parallelen, ebenen Flächen senkrecht zu der Druckrichtung beim Heißpressen schneidet, die

030020/0765

parallelen Flächen abschleift und dann die sich ergebenden, glatten Flächen in engen Kontakt mit der Kathodenspitze (1) und den Stützen (4,5) bringt.
2. Kathodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stützen (4,5) Schrauben (8,9) aufweisen, um die Druckkraft.des Druckkontaktes mit der Kathodenspitze zu steuern.
3. Kathodeneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Flächen der Heizstücke (2',3¹J derart ausgebildet sind, daß die Fläche des Druckkontaktes mit den Stützen groß und die Fläche des Druckkontaktes mit der Kathodenspitze klein ist, wobei die Heizstücke pyramidenstumpfförmig ausgebildet sind.

030 0 20/0765