DE3039283C2

DE3039283C2 -

Info

Publication number: DE3039283C2
Application number: DE3039283A
Authority: DE
Inventors: Shigeyuki Hachioji Tokio/Tokyo Jp Hosoki; Shigehiko Tokorozawa Saitama Jp Yamamoto; Hideo Tokio/Tokyo Jp Todokoro; Susumu Higashimurayama Tokio/Tokyo Jp Kawase; Yasuharu Chofu Tokio/Tokyo Jp Hirai
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1989-03-16
Also published as: US4379250A; NL8005772A; DE3039283A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemissionskathode, wie sie für Elektronenstrahlkanonen in Elektronenstrahlgeräten wie wissenschaftlichen Geräten und in Elektronenstrahllithographiegeräten verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung der Feldemissionskathode.

Bei einer Feldemissionskathode wird die Emission von Elektronen bewirkt, indem ein negatives Potential an eine nadelförmige Spitze und ein positives Potential an eine dieser gegenüberliegende Anode gelegt wird. Damit läßt sich ein Feldemissionselektronenmikrobild gewinnen, wenn als Anode ein fluoreszierender Schirm verwendet wird. Das Feldemissionselektronenmikrobild zeigt üblicherweise ein geometrisches Muster, das die kristallographischen Regelmäßigkeiten des die Spitze bildenden Metalls wiederspiegelt. Ausgedrückt in Emissionswinkel erscheint das Mikrobild gesehen von der Spitze in einem Bereich von ungefähr 1 rad.

In der Praxis der Verwendung der Feldemissionskathode wird jedoch nur ein Bruchteil des erwähnten breiten Emissionswinkels ausgenutzt. Der Emissionswinkel wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Schema der Fig. 1 erläutert, die ein elektronenoptisches System zur Elektronenstrahlbündelung in einer die Feldemissionskathode verwendenden Elektronenstrahlkanone zeigt. Auf eine nadelförmige Feldemissionskathodenspitze 1, welche auf die Mitte eines haarnadelförmigen Fadens 2 aufgeschweißt ist, wird die Spannung der Spannungsquelle 5, die bezüglich einer ersten Anode 3 negativ ist, gegeben, wodurch Elektronen durch Feldemission aus der Spitze der Kathode 1 austreten. Die ausgetretenen Elektronen verteilen sich, wie oben erwähnt, über einen Emissionswinkel von ungefähr 1 rad. Der Elektronenstrahl 16, der eine Öffnung 15 der ersten Anode 3 durchlaufen hat, wird durch die Wirkung einer elektrostatischen Linse, welche durch eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Anode 3 und einer zweiten Anode 4, die mit einer Spannungsquelle 6 verbunden sind, erzeugt wird, gebündelt, und liefert auf einer geeigneten Konvergenzebene 17 einen feinen Elektronenstrahlpunkt. Der Elektronenstrahlpunkt läßt sich noch weiter verfeinern, indem man die Bündelung durch Kombination magnetischer Linsen wiederholt. Aus den im folgenden erwähnten Gründen werden die emittierten Elektronen, die als eine Elektronensonde 16 verwendet werden können, durch die Öffnung der ersten Anode 3 eingegrenzt. Eine elektronenoptische Linse zeigt nämlich eine unkorrigierbare Aberration, unabhängig davon ob es sich um eine elektrostatische oder um eine magnetische Linse handelt. Die sphärische Aberration nimmt dabei den größten Anteil ein. Da die sphärische Aberration so groß ist, wird der ausgenützte Elektronenstrahl 16 auf die Umgebung der optischen Achse 18 beschränkt. Wenn der Koeffizient der sphärischen Aberration mit Cs und der Öffnungswinkel des Elektronenstrahls 16 mit α bezeichnet wird, gilt ferner, daß die Aberration durch Cs α³ gegeben ist. Um also einen feinen Elektronenstrahl 16 mit möglichst geringer Aberration zu erhalten, muß der Öffnungswinkel α auf einen kleinen Bereich eingeschränkt werden. Bei in der Praxis verwendeten Geräten beträgt der Öffnungswinkel α ungefähr α ≲ 10^-3 rad. Nimmt man die Stromdichteverteilung in der ersten Anode 3 als gleichförmig an, dann ist das Verhältnis von Raumwinkel der gesamten Elektronenemission (1 sr) zum Raumwinkel des durch die Öffnung 15 gehenden Elektronenstrahls 16 (πα²) gleich dem Verhältnis von Gesamtstrom der Feldemission zum Strom des feinen Elektronenstrahls 16. In der Praxis ist jedoch wegen der kristallographischen Regelmäßigkeiten die Stromdichte in der ersten Anode 3 nicht gleichförmig. Ferner ist das axiale Azimut der Spitze 1 so gewählt, daß die Stromdichte des Feldemissionselektronenmikrobilds im Mittelteil hoch wird. In dem obenerwähnten Fall nimmt daher das Verhältnis des Gesamtstroms zum ausgenutzten Strom einen Wert von ungefähr 1000 : 1 an.

Bei den in der Praxis verwendeten Geräten ist es andererseits erforderlich, den Elektronenstrahl so fein wie möglich zu bündeln und einen möglichst großen Strom (im folgenden als Sondenstrom bezeichnet) zu ziehen. Beispielsweise ist ein Gesamtemissionsstrom der Größenordnung 1 mA notwendig, um einen Sondenstrom der Größenordnung 0,1 µA zu erzielen.

Bei einem festen Vakuumdruck wird andererseits der Feldemissionsstrom um so stabiler, je niedriger der Strom ist. Mit zunehmendem Strom nehmen auch die Stromschwankungen zu, d. h., der Feldemissionsstrom wird instabil. Ferner ist für einen bestimmten Strom der Strom um so stabiler, je geringer der Vakuumdruck ist. Wenn man also versucht, einen großen Gesamtemissionsstrom zu erzielen, werden die Stromschwankungen so stark, daß das Gerät unbrauchbar wird. In der Praxis ist es selbst bei einem Vakuumdruck in einer gewöhnlichen Vakuumkammer von ungefähr 6,7 · 10^-8 Pa extrem schwierig, einen stabilen Feldemissionsstrom von 100 µA über längere Zeiten hinweg zu ziehen. Alles in allem ist es also schwierig, größere Sondenströme zu erreichen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 12 90 637 ist eine Feldemissionskathode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Um eine möglichst hohe Lebensdauer zu erzielen, ist dort die Oberfläche der Elektronen emittierenden Kathodenspitze mit einem Überzug versehen, für den als Material Zirkon, Hafnium und einige andere Elemente mit hoher Lebensdauer genannt sind. Diese Elemente arbeiten nur in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre und nur bei verhältnismäßig hohen Arbeitstemperaturen stabil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feldemissionskathode anzugeben, die einen stabilen hohen Sondenstrom bei möglichst niedriger Betriebstemperatur ohne Zufuhr von Sauerstoff ergibt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die an der Oberfläche der Kathodenspitze adsorbierte einatomare Metallschicht aus Titan besteht. Titan weist zwar eine vergleichsweise kürzere Lebensdauer auf als etwa Zirkon oder Hafnium, ergibt aber eine stabile Arbeitsweise der Kathode auch ohne Zufuhr von Sauerstoff und bei der im Vergleich mit den bekannten Elementen niedrigsten Arbeitstemperatur, nämlich bei ungefähr 1100°C.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

Fig. 1 eine Darstellung des allgemeinen Aufbaus eines optischen Systems zur Elektronenstrahlbündelung in einer Elektronenstrahlkanone, die eine Feldemissionskathode verwendet,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Adsorptionsmenge und der Austrittsarbeit zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen des Adsorptionszustands bei der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen von Feldemissionselektronenmikrobildern der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Adsorptionsmenge und dem Feldemissionsstrom der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kathodentemperatur und der Winkeleingrenzung der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kathodentemperatur und der Drift der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Fig. 9A bis 9C Darstellungen zur Veranschaulichung der Herstellungsschritte zur Erzeugung von Feldemissionskathoden gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 10 eine Darstellung des Aufbaus zur Messung der Eigenschaften der Feldemissionskathode der Fig. 9C,

Fig. 11 und 12A bis 12E schematische Darstellungen von Feldemissionselektronenmikrobildern der Feldemissionskathode der Fig. 9C und

Fig. 13A und 13B Darstellungen zur Veranschaulichung der Herstellungsschritte zur Erzeugung von Feldemissionskathoden gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Das Material zur Herstellung der nadelförmigen Kathode ist ein hochtemperaturbeständiges Metall, nämlich Wolfram oder Molybdän, das die Form einer nadelförmigen Spitze auch beibehält, wenn es hohen Temperaturen unterworfen worden ist, und bei dem die Oberflächen der Spitze gereinigt werden können. Ferner muß es möglich sein, das Metall durch elektrolytisches Polieren zu einer nadelförmigen Spitze zu verarbeiten. Auf die sauberen Oberflächen der Spitze wird Titan in der Dicke einer monoatomaren Schicht aufgedampft, wobei das Metall eine Austrittsarbeit hat, die geringer als diejenige des Materials der Spitze ist und sein Oxid beständig gegenüber hohen Temperaturen ist. Dann wird in die Vakuumkammer, in der sich die Spitze befindet, Sauerstoffgas eingeleitet, so daß eine monoatomare Schicht aus Sauerstoffmolekülen an den Oberflächen der Spitze adsorbiert wird. Im Falle des Sauerstoffgases entspricht diese Belüftung ungefähr 1 L (Langmuir). Daher sollte die Belüftung eine Sekunde lang durchgeführt werden, wenn der Druck 1,33 · 10^-4 Pa beträgt, und 100 s lang, wenn der Druck 1,33 · 10^-6 Pa beträgt. Danach wird das Sauerstoffgas abgepumpt und die Spitze 10 bis 60 s bei einer Temperatur von 1300 bis 1500°C, wobei diese von der aufgedampften Substanz abhängen kann, unter Vakuumbedingungen, unter denen die Feldemission bewirkt werden kann, wärmebehandelt, um so die Spitze, auf die die Erfindung abzielt, auszubilden. Die so hergestellte nadelförmige Kathodenspitze aus Wolfram oder Molybdän emittiert Elektronen im wesentlichen allein aus der (100)-Ebene, womit man ein Feldelektronenmikroskop erhält, dessen Emissionswinkel auf ungefähr 1/4 rad vermindert ist.

Die Grundlagen der Erfindung sind noch nicht in allen Einzelheiten geklärt, da der Krümmungsradius der Spitze nur 100 nm beträgt und die Spitze, auf der Atome oder Moleküle in einer einer Monoschicht vergleichbaren Dicke adsorbiert sind, Eigenschaften zeigt, die von den Kristallebenen abhängen. Grundsätzlich jedoch kann man hinsichtlich der Grundlagen der Erfindung von folgendem ausgehen.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sei angenommen, daß die Spitze aus Wolfram besteht. Wenn eine Substanz mit einer Austrittsarbeit, die kleiner als diejenige von Wolfram ist, auf die Oberfläche des Wolfram aufgedampft wird, hat die Oberflächenaustrittsarbeit den durch Kurve 19 in Fig. 2 angegebenen Verlauf. Das heißt, wenn die Dicke des aufgedampften Metalls ungefähr eine 0,7 Monoschicht von Atomen ist, nimmt die Austrittsarbeit bezüglich der Austrittsarbeit Φ _w von Wolfram ihren kleinsten Wert an und nimmt dann allmählich wieder zu. Die Austrittsarbeit geht ungefähr in die Sättigung, wenn die Dicke des aufgedampften Metalls diejenige einer Monoschicht von Atomen übersteigt und nähert sich dann allmählich der Austrittsarbeit Φ _M des aufgedampften Metalls. Dies geht auf die Tatsache zurück, daß das Oberflächenpotential auf der Oberfläche des Wolfram sich durch die Adsorption des aufgedampften Metalls verändert, wofür allgemein folgendes angenommen wird. Die Erscheinung, die auf der Oberfläche des Wolfram stattfindet, ist ein Vielkörperproblem, das sich aus der Bindung vieler Atome in der Oberfläche und aus adsorbierten Atomen ergibt, und wird als System der Bindung eines Atoms in der Oberfläche mit einem adsorbierten Atom betrachtet. Das elektrische Dipolmoment, das zwischen dem Atom in der Oberfläche und dem adsorbierten Atom entsteht, läßt sich nach Malone beruhend auf dem Konzept der Elektronegativität folgendermaßen ausdrücken:

µ = Xad - Xo (1)

Hierbei bezeichnet Xad die Elektronegativität des aufgedampften Metalls und Xo die Elektronegativität von Wolfram. Andererseits besteht die Gordy-Thomas-Beziehung zwischen der Elektronegativität Xo und der Austrittsarbeit Φ, die folgendermaßen ausgedrückt werden kann:

Xo = 0,44 Φ - 0,15 (2)

Die durch die Adsorption bewirkte Änderung ΔΦ der Austrittsarbeit ist proportional zum Dipolmoment µ und zu der Anzahl n von pro Einheitsfläche adsorbierten Atomen und läßt sich daher ausdrücken als

ΔΦ = 2 πµn = 2 π n (Xad - Xo) (3)

Daher wird die in Fig. 2 gezeigte Änderung der Austrittsarbeit durch die Aufdampfung eines Metalls mit geringerer Austrittsarbeit als Wolfram erzeugt, d. h. erzeugt durch die Aufdampfung eines Metalls mit kleiner Elektronegativität, bevor sich der Effekt der Adsorption als wieder positiv zeigt. Die Adsorption einer Monoschicht von Atomen bedeutet, daß die Adsorption in einem Ausmaß bewirkt wird, das mit der Atomdichte auf der Oberfläche des Wolfram übereinstimmt. Wenn das Metall in stärkerem Ausmaß als der Monoschicht von Atomen adsorbiert wird, nimmt die Anzahl n der Atome in Gleichung (3) nicht mehr zu. Ferner nimmt die Austrittsarbeit minimale Werte über eine Atomschicht von 0,7 bis 1 vermutlich in Folge der Tatsache an, daß die adsorbierten Atome, die auf der Wolframoberfläche diffundieren können und beträchtliche Freiheitsgrade haben, eine Zunahme des elektrischen Dipolmoments (Moment µ) ermöglichen.

Im folgenden wird nun der Fall betrachtet, daß nicht nur Metall, sondern auch Sauerstoffmoleküle adsorbiert werden. Wenn, wie in Fig. 3A gezeigt, zunächst Metall M auf die Oberfläche des Wolfram aufgedampft wird und dann Sauerstoffmoleküle adsorbiert werden, wird angenommen, daß infolge einer Chemisorptionsreaktion, die einer gewöhnlichen Oxidation ähnelt, obwohl die Anordnung abhängig von der Reaktivität des aufgedampften Metalls M mit Sauerstoffgas O₂ unterschiedlich sein kann, die Sauerstoffatome (-moleküle) zwischen dem Wolfram und dem aufgedampften Metall M angeordnet werden. Das Metall, das mit Sauerstoff reaktionsfähig ist, erzeugt obige Reaktion unter in Nähe von Raumtemperatur liegenden Bedingungen. Fig. 3B zeigt ein Modell, das jedoch nicht die Einzelheiten der Bindungen veranschaulichen soll.

Mit der durch das Modell der Fig. 3B wiedergegebenen Anordnung, die sich von der Adsorption des Metalls allein unterscheidet, wird angenommen, daß sich die Austrittsarbeit stärker ändert, als nach der Größe des Dipolmoments anzunehmen ist. Wenn der Ionenradius des adsorbierten Metallatoms mit r _M und der Ionenradius bzw. der Radius der kovalenten Bindung des Sauerstoffatoms mit r _G bezeichnet wird, läßt sich die Änderung der Austrittsarbeit durch die folgende Beziehung angeben:

Wenn man animmt, daß r _G gleich r _M ist, dann ist die Änderung ΔΦ etwa doppelt so groß, wie wenn die Metallatome adsorbiert sind.

Selbst bei Verwendung von Polykristallen ist infolge des Kornwachstums bei der Erwärmung die nadelförmige Spitze in einem großen Korn in einem kugelförmigen Bereich eines Krümmungsradiusses von ungefähr 100 nm enthalten. Das heißt, daß die Spitzenoberfläche in jedem Fall als eine Einkristalloberfläche betrachtet werden kann. Es ist bekannt, daß sich die Austrittsarbeit von Wolfram abhängig von den Kristallebenen ändert, weshalb die Austrittsarbeit Φ bzw. die Elektronegativität Xo genau genommen, abhängig von den Kristallebenen, mit Φ _hkl oder X _hkl bezeichnet werden muß. Tabelle 1 zeigt Werte für die Kristallebenen. Mit der Adsorption W-O-M gemäß Fig. 3B ergibt sich, wenn sich die Austrittsarbeit auf allen Kristallebenen gleichförmig ändert, auch nach der Adsorption keine Änderung des Feldemissionselektronenmikrobilds; das elektrische Feld für das Ziehen des Stroms nimmt einfach ab. Wenn sich die Austrittsarbeit jedoch gemäß Gleichung (4) ändert, ergibt sich eine offensichtlich andere Verteilung des Feldemissionselektronenmikrobilds. Wenn ferner die Monoschichten aus Sauerstoff und Metall adsorbiert sind, bestimmt die Anzahl adsorbierter Atome eine atomare Dichte auf der Oberfläche jeder der Kristallflächen, vorausgesetzt man kann die Haftungswahrscheinlichkeit für Wolfram als 1 auf jeder der Kristallebenen annehmen, wobei die Dichte die in Tabelle 1 gezeigten Werte. Tabelle 1 stellt berechnete Beispiele dar, wenn Titan auf sauerstoffadsorbiertem Metall adsorbiert ist.

Tabelle 1

Die berechneten Resultate zeigen, daß die (110)-Ebene die kleinste Austrittsarbeit und die (100)-Ebene die zweitkleinste Austrittsarbeit hat. Dies steht im Widerspruch zu der Tatsache, daß im Falle von Wolfram das Emissionselektronenmikrobild im wesentlichen auf die (100)-Ebene beschränkt ist. Die Gründe hierfür sind die folgenden. Die Berechnung wurde nämlich mit einer Haftungswahrscheinlichkeit von 1 in allen Kristallebenen und mit einer atomaren Dichte n auf der Oberfläche durchgeführt. Es ist jedoch anzunehmen, daß in Wirklichkeit die Haftungswahrscheinlichkeit von der Kristallebene abhängt. Das heißt, die (110)-Ebene ist von den Kristallebenen des Wolfram die thermisch stabilste und bildet die ebenste und breiteste Oberfläche, wenn sie als die nadelförmige Spitze verwendet wird. Es ist bekannt, daß die Haftungswahrscheinlichkeit auf einer solchen Ebene abnimmt, weshalb die Austrittsarbeit auf der (110)-Ebene in Wirklichkeit nicht so kleine Werte wie in Tabelle 1 hat. Bezüglich anderer Ebenen bestehen keine ernsthaften Unterschiede. Aus den erwähnten Gründen ist es also halbquantitativ verständlich, daß das Emissionselektronenmikrobild im wesentlichen auf die (100)-Ebene der Wolframspitze eingeschränkt ist, wenn Monoschichten eines Metalls mit kleinerer Austrittsarbeit als Wolfram und von Sauerstoff adsorbiert sind. Die Austrittsarbeiten auf der (100)-Ebene nach der Adsorption des Metalls, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, stehen in guter Übereinstimmung mit Werten, die man experimentell durch die Fowler-Nordheim-Auftragung der Feldemission erhält.

Obige Erscheinungen gelten auch für Molybdän, das eine geringfügig kleinere Austrittsarbeit als Wolfram hat.

Ferner gilt, daß die aus einem zu adsorbierenden Metall und Sauerstoff bestehenden Monoschichten nach der Erfindung chemisch verbunden sind, wie sich aus der Analyse mit einem Oberflächenanalysator, etwa röntgenangeregter Photoelektronenspektroskopie, ergibt. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Monoschicht aus Atomen als ein Metalloxidfilm betrachtet werden kann. Wenn das Metall adsorbiert und in einer die der Monoschicht aus Atomen übersteigenden Dicke oxidiert wird, nehmen jedoch die Austrittsarbeiten zu und es kommt zu keinem Elektronenaustritt, es sei denn, daß man sehr hohe elektrische Felder anlegt. Daher unterscheidet sich die aus einem zu adsorbierenden Metall und Sauerstoff bestehende Monoschicht nach der Erfindung sehr stark von einem Dünnfilm eines gewöhnlichen Oxids, das auf der Oberfläche der Spitze ausgebildet wird.

Die Feldemissionskathode gemäß der Erfindung wird im folgenden an Hand einer Ausführungsform konkret erläutert. Gemäß Fig. 4 wird ein haarnadelförmiger Wolframdraht 2 mit einem Durchmesser von 0,15 mm mit aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehenden Stäben 14 verschweißt, die an einem Glasträger 7 befestigt sind. Ein <100<-orientierter Einkristall mit einem Durchmesser von 0,15 mm, der auf den Mittelteil des haarnadelförmigen Wolframdrahts 2 aufgeschweißt ist, wird zur Herstellung einer Spitze 1 unter Verwendung einer wäßrigen NaOH-Lösung elektrolytisch poliert. Darauf wird ein elektrischer Strom durch den haarnadelförmigen Wolframdraht 2 geschickt, um die in einer Ultrahochvakuumkammer liegende Spitze 1 zu einer Reinigung ihrer Oberflächen plötzlich auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Dabei ermöglicht die Verwendung eines fluoreszierenden Schirms als Anode die Gewinnung eines Feldemissionselektronenmikrobilds einer sauberen Wolframoberfläche mit der (100)-Ebene als Mitte wie es in Fig. 5A gezeigt ist, wobei dort dunkle Abschnitte eine geringe Stromdichte und Abschnitte mit horizontalen Linien, Abschnitte mit schrägen Linien und weiße Abschnitte Stromdichten haben, die in der genannten Reihenfolge zunehmen. Der Bereich, in dem das Elektronenmikrobild gesehen wird, entspricht einer Öffnung bzw. einem Winkel von ungefähr 1 rad (1 sr als Raumwinkel) der in Fig. 1 als Emissionswinkel gezeigt ist. Es wird ein Titandraht 8 eines Durchmessers von 0,3 mm zu einem Kreis eines Durchmessers von 10 bis 15 mm an einer Stelle ausgebildet, die sich im Abstand von ungefähr 5 mm von der Spitze zur Anode 11 hin befindet. Über eine Spannungsquelle 12 wird dem Titandraht 8 eine elektrischer Strom zugeführt, um ihn auf 1400° bis 1500°C zu erwärmen, wodurch Titan auf die Spitze 1 aufgedampft wird.

Die Aufdampfmenge läßt sich folgendermaßen steuern. An die Spitze 1 wird mittels einer Spannungsquelle 5 eine so hohe Spannung gelegt, daß der elektrische Strom, den der die Anode bildende fluoreszierende Schirm 11 erhält, ungefähr 0,1 µA beträgt. Mit dem Aufdampfen von Titan nimmt bestimmt durch die in Fig. 2 dargestellte Austrittsarbeit der elektrische Strom zu, d. h., der elektrische Strom hat entsprechend dem Verlauf der Austrittsarbeit in Fig. 2 durch ein Minimum, wie in Fig. 6 gezeigt, ein Maximum und nähert sich dann einem bestimmten Wert an. Das Maximum kann als 0,7 Monoschicht von Atomen betrachtet werden bzw. die Monoschicht von Atomen läßt sich direkt aus dem Wendepunkt der Kurve der Fig. 6 auffinden. Titan sollte in einer solchen Menge aufgedampft werden, daß es eine Minimummonoschicht von Atomen bildet. Eine überschüssige Abscheidung durch die Aufdampfung kann durch einen nachfolgenden Schritt der Verdampfung vermindert werden. Danach wird zur Bewirkung einer Belüftung von wenigstens ungefähr 1 Langmuir Sauerstoffgas eingeleitet. Danach wird der Sauerstoff zur Herstellung des ursprünglichen Vakuumdruckes wieder evakuiert und im Wolframfaden 2 über eine Spannungsquelle 13 zur Erwärmung der Spitze 1 ein elektrischer Strom erzeugt. Die Aufheiztemperatur und die Aufheizzeit hängen von der Menge des durch die Aufdampfung abgeschiedenen Titans und dem Ausmaß, in dem es dem Sauerstoffgas ausgesetzt ist, ab, sollte jedoch üblicherweise im Bereich zwischen 1300 und 1500°C für 10 bis 60 s liegen. Auch bei einer unter 1300°C liegenden Temperatur kann die Behandlung im gleichen Ausmaß bewirkt werden, wenn die Erwärmung über längere Zeiten fortgesetzt wird, dies ist jedoch ineffizient. Unter einer Temperatur von 800°C zeigt die Wärmebehandlung keinen Effekt. Deshalb sollte die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 800°C durchgeführt werden. Wenn andererseits die Temperatur höher als 1500°C ist, dann kommt es zu einer Zerstörung der adsorbierten Schicht, wenn die Erwärmung auf mehr als 60 s ausgedehnt wird.

Bei obigem Herstellungsschritt kann ferner die Spitze 1 auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden, indem dem Faden 2 zur weiteren Förderung der Oxidation ein Strom zugeführt wird, nachdem die Spitze 1 dem Sauerstoffgas ausgesetzt worden ist. Fig. 5B zeigt ein Feldemissionselektronenmikrobild der so hergestellten Feldemissionskathode. Bei dem Elektronenmikrobild der sauberen Oberfläche, das in Fig. 5A gezeigt ist, ist die Stromdichte auf der zentralen (100)-Ebene sehr gering, während sich in Fig. 5B das Elektronenmikrobild als auf einen Punkt mit der (100)-Ebene als Mitte beschränkt zeigt. Der Emissionswinkel entspricht der Verteilung des Elektronenmikrobilds. Daher ist, wenn der Emissionswinkel in Fig. 5A 1 rad ist, der Emissionswinkel in Fig. 5B ungefähr 1/5 rad.

Gemäß Fig. 4 besteht eine weitere Ausführungsform in der Verwendung einer Heizung 9 aus einem Wolframdraht oder dergleichen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm anstelle des Titandrahts 8. In diesem Fall wurde das Titan 10 durch Aufdampfen auf der Heizung 9 abgeschieden. Auch wenn die Abscheidungsmenge durch Aufdampfen nicht in der gleichen Weise wie bei der Verwendung eines Titandrahts bewirkt werden kann, sollte die Temperatur des aufzudampfenden Metalls korrekt gemessen werden, um vertrauend auf Annahmen bezüglich des Dampfdurchs eine Monoschicht von Atomen aufzudampfen. Die übrige Behandlung ist die gleiche wie bei der davor erwähnten Ausführungsform.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Metall nicht durch Aufdampfen adsorbiert, sondern es wird eine wasserlösliche Verbindung, etwa ein Nitrat oder ein Carbonat in Wasser bis zur Sättigung aufgelöst und die Spitze 1 in die wässerige Lösung getaucht. Nachdem die Spitze 1 trocken ist, wird sie in das Gerät eingesetzt, das in üblicher Weise evakuiert wird. Durch Wärmebehandlung bei 1300°C bis 1500°C unter Hochvakuumbedingungen läßt sich ein allein auf die (100)-Ebene begrenztes Emissionselektronenmikrobild gewinnen, ohne daß die Notwendigkeit besteht, Sauerstoffgas einzuleiten. Da Sauerstoff oft nur beschränkt verfügbar ist, wird eine Behandlung durchgeführt, die dem obenerwähnten Aussetzen am Sauerstoffgas entspricht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Sauerstoff durch die durch die Erwärmung bewirkte Zersetzung des Nitrats gebildet so daß ein Aussetzen an Sauerstoffgas oft nicht erforderlich ist.

Das nach obiger Ausführungsform gewonnene Elektronenmikrobild ergibt einen Emissionswinkel von 1/4 bis 1/5 rad oder kleiner, was eine Erhöhung der Ausbeute des Sondenstroms in bezug auf den Gesamtemissionsstrom ermöglicht. Ferner wird dadurch ein bislang schwierig zu erzielender großer Sondenstrom möglich, ohne daß der Gesamtemissionsstrom erhöht werden muß. Bei Anwendung in einer Elektronenstrahlapparatur muß der Gesamtemissionsstrom 30 µA sein, wenn ein Sondenstrom von 0,1 µA mit dem Öffnungswinkel α der Fig. 1 von ungefähr 1 · 10^-3 rad gezogen werden soll. Wenn eine übliche <310<-orientierte Spitze aus Wolfram oder Molybdän, die das größte Verhältnis von Gesamtemissionsstrom zu Sondenstrom ergibt, verwendet wird, ist dagegen ein Gesamtemissionsstrom von 1 mA notwendig, um auf einen gleichen Sondenstrom zu kommen. Bei Mehrzweckgeräten, wie Elektronenmikroskopen und Elektronenstrahllithographiegeräten, ist es jedoch sehr schwierig, einen Gesamtemissionsstrom von 1 mA aus der Feldemissionskathode zu ziehen, da es eine technische Grenze für das in der Elektronenkanonenkammer herstellbare Ultrahochvakuum gibt.

Wie obiger Vergleich zeigt, ist es dagegen mit der erfindungsgemäßen Kathode möglich, ohne Schwierigkeiten einen großen Sondenstrom zu erreichen, wie er bislang nur schwierig zu erzielen war.

Die Spitze besteht aus Wolfram oder Molybdän. Die Anforderungen an das Metall (Titan), damit es zur Adsorbierung verwendet werden kann, sind, daß (i) das Metall eine Austrittsarbeit haben sollte, die kleiner als diejenige des Spitzenmaterials ist, daß (ii) das Oxid des adsorbierten Metalls gegenüber hohen Temperaturen beständig sein sollte, wobei angenommen ist, daß das mit dem Sauerstoff gekoppelte Metall im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit dem Oxid dieses Metalls äquivalent ist, und (iii) das Metall wie in den vorstehenden Ausführungsformen dargelegt nach einem möglichst einfachen Verfahren adsorbiert werden sollte.

Die mit Titan überzogene Spitze hat eine geringe Austrittsarbeit verglichen mit nicht besonders behandelten Spitzen aus Wolfram oder Molybdän und bewirkt daher eine starke Abnahme des Emissionsstroms, wenn sie bei Raumtemperatur verwendet wird. Um die Stromdrift möglichst gering zu halten, sollte die Spitze gemäß der Erfindung bei einer Temperatur von 750° bis 1000°C eingesetzt werden, um stabile Stromeigenschaften über längere Zeiten hinweg zu erhalten. Dieser Temperaturbereich wird so bestimmt, daß (i) die Untergrenze für die Heiztemperatur relativ zu der Stromabnahme bestimmt wird, die durch durch die Spitze adsorbierte Restgasmoleküle im Vakuum verursacht wird, d. h. so, daß der Strom, nach dem ein bestimmter Wert durchlaufen ist, nicht mehr abnimmt, und daß (ii) die Obergrenze für die Heiztemperatur so bestimmt wird, daß die aus einem adsorbierten Metall und Sauerstoff bestehende Monoschicht gemäß der Erfindung nicht thermisch zersetzt wird.

Wenn, wie oben erwähnt, ein <100<-orientierter Einkristall für die aus Wolfram oder Molybdän bestehende Spitze verwendet wird, gelangt die Mitte des Emissionswinkels in Übereinstimmung mit der optischen Achse, was große praktische Vorteile ergibt. Abhängig vom Zweck kann jedoch die Mitte des <310<-orientierten Emissionswinkels geringfüig gegenüber der optischen Achse versetzt sein.

Ferner wurden Experimente betreffend die Beziehung zwischen der Heiztemperatur und der Stromkennlinie für eine Feldemissionskathode durchgeführt, bei der Zirkon das zu adsorbierende Metall war. Dabei ergaben sich die folgenden Resultate.

Fig. 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kathodentemperatur und der Winkeleingrenzung. Das Verhältnis von Sondenstrom mit einem zentralen Raumwinkel von 1,5 · 10^-4 sr zum gesamten Emissionsstrom wird als Maß für die Winkeleingrenzung verwendet. Wie aus dem Verlauf der Kurve 20 ersichtlich ist, nehmen, wenn die Temperatur der Kathode 1200 K überschreitet, die Elektronen durch thermionische Emission von Elektronen zusätzlich zu den durch Feldemission erzeugten Elektronen zu, so daß der Effekt der Winkeleinschränkung schlagartig abfällt. Ohne daß dies dargestellt ist, nimmt der Sondenstrom mit der Heiztemperatur der Kathode zu. Wenn die Temperatur jedoch 1500 K überschreitet, nimmt der Sondenstrom infolge der Tatsache ab, daß durch die hohe Temperatur die adsorbierte Schicht aus Zirkon zerstört wird.

Der instabile Strom, der gezogen wird, d. h. die Drift zeigt an, daß die Grenze für die Kathodentemperatur in einem tieferen Temperaturbereich liegt. Fig. 8 gibt graphisch experimentelle Ergebnisse wieder, die die Beziehung zwischen der Drift und der Kathodentemperatur (Helligkeitstemperatur) zeigen. Dabei wird ein Betrieb über mehr als vier Stunden als Langzeitbetrieb betrachtet, wobei der Betrieb unter Ultrahochvakuumbedingungen von 6,5 · 10^-7 Pa durchgeführt wird. Der Verlauf der Kurve 21 zeigt, daß die Drift stark zunimmt, wenn die Kathodentemperatur 1110 K überschreitet. Wenn der Betrieb unter Hochvakuumbedingungen von mehr als 6,5 · 10^-7 Pa aber weniger als 1,3 · 10^-7 Pa durchgeführt wird, bleibt der Driftzustand gut bei Temperaturen bis hinauf zu 1250 K. Wie aus Fig. 7 ersichtlich, nimmt jedoch die Winkeleingrenzung innerhalb dieses Temperaturbereichs ab und es ergeben sich praktische Probleme. Die Drift nimmt andererseits auch wieder zu, wenn die Kathodentemperatur weiter abnimmt. Der Grund liegt darin, daß im Vakuum vorhandenes Restgas auf der Oberfläche der Spitze 1 adsorbiert wird, und die Austrittsarbeit erhöht. Je besser das Vakuum ist, desto geringer ist auch die Drift. Die Untergrenze für die Kathodentemperatur ist jedoch selbst bei einem Vakuum von ungefähr 1,3 · 10^-9 Pa das den besten heute erreichbaren Wert darstellt, 1000 K. Das heißt, wenn die Kathode bei einer Helligkeitstemperatur zwischen 1000 und 1110 K betrieben wird, ist es möglich, unter Hochvakuumbedingungen einen stabilen Elektronenstrahl mit guter Winkeleingrenzung zu bekommen. Das gleiche gilt auch, wenn Hafnium anstelle von Zirkon verwendet wird.

Bei der erwähnten Feldemissionskathode, an der eine Monoschicht aus Atomen adsorbiert ist, wird die Stabilität verbessert, wenn die Spitze bei einer geeigneten Temperatur zur Verminderung der Drift des Emissionsstroms verwendet wird. Die optimale Heiztemperatur ändert sich mit dem verwendeten Material und dem Vakuumdruck. Da ferner die Anhaftung in einer Dicke einer monoatomaren Schicht bewirkt wird, verkürzt sich die Lebensdauer, wenn die Heiztemperatur zu hoch ist. Wenn das durch Aufdampfen aufgebrachte Metall einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat, wird jedoch der Strom stabil, wenn auf 1000°C oder mehr erwärmt wird. Um diesen Zustand über längere Zeiten aufrecht zu erhalten, muß das Metall laufend in dem Maße, wie das Verschwinden durch Verdampfen erfolgt, ergänzt werden, damit die Monoschicht aus Atomen zu allen Zeiten stabil auf den Spitzenoberflächen, auch wenn die Spitze auf hohe Temperaturen erwärmt ist, adsorbiert ist.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Ausführungsform der Erfindung eine Feldemissionskathode des Typs erzeugt, bei welchem die atomare Monoschicht durch Adsorption von Monoschichten aus molekularem Sauerstoff und Metallatomen auf der Spitzenoberfläche der Feldemissionskathode zur Anhaftung gebracht wird, wodurch Feldemissionselektronen auf einem engen Bereich einer bestimmten Kristallebene der Spitze erzeugt werden, um so den Emissionswinkel auf ungefähr 1/4 rad, d. h. den Gesamtemissionsstrom, einzugrenzen. Damit ferner das Metall dauernd mit der Geschwindigkeit, mit der es durch Verdampfung verschwindet, auch beim Betreiben der Feldemissionskathode bei hohen Temperaturen stabil ergänzt wird, wird ein hochtemperaturbeständiger feiner Metalldraht zu einem haarnadelförmigen Faden geformt, ein Metalldraht mit dem Faden verschränkt, wobei das Metall eine Austrittsarbeit hat, die geringer als diejenige der im Scheitel des Fadens angebrachten Spitze ist, und sein Oxid beständig gegen hohe Temperaturen ist, und schließlich wird das Metallteil unter Hochvakuumbedingungen erwärmt und damit wenigstens eine Verbindung zwischen dem Faden und dem Metallteil auszubilden.

Im folgenden wird nun ein Vergleichsbeispiel erläutert.

Es wird Wolfram oder Molybdän als Material für die Feldemissionskathode verwendet. Ein polykristalliner Draht eines Durchmessers von 0,15 mm wird zu einem haarnadelförmigen Faden 2 geformt und ein <100<-orientierter Einkristall mit dem Mittelteil des Fadens 2 verbunden und sein Spitzenabschnitt mit einer wässerigen NaOH-Lösung zur Herstellung der Spitze 1 elektrolytisch poliert. Fig. 9A zeigt diesen Zustand, wobei 1 eine Spitze aus Wolfram oder Molybdän, 2 einen haarnadelförmigen Faden aus polykristallinem Wolfram- oder Molybdändraht, 14 aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende und mit dem Faden verbundene Stäbe, und 7 eine Glasbasis bezeichnet. Wie aus Fig. 9B ersichtlich, wird das eine Ende eines Hafniumdrahtes 23 eines Durchmessers von ungefähr 80 µm mit dem einen Stab 14 punktverschweißt um den haarnadelförmigen Faden 2 gewickelt und mit seinem anderen Ende mit dem anderen Stab 14 punktverschweißt. Ein elektrischer Strom wird von einer Spannungsquelle 13 unter Hochvakuumbedingungen auf die Stäbe 14 geliefert und der Hafniumdraht 23 erwärmt bis er schmilzt. Wenn der Hafniumdraht schmilzt, wird die Temperatur schlagartig weiter angehoben. Dies ist mit bloßem Auge zu erkennen. Sobald der Hafniumdraht geschmolzen ist, sollte der Strom unterbrochen werden. Auf diese Weise wird eine Feldemissionskathode der in Fig. 9C gezeigten Form hergestellt. Das heißt also, der Hafniumdraht 23 wird etwa im Mittelteil des haarnadelförmigen Abschnitts des Drahts 2 geschmolzen und bildet eine kugelförmige Vorratsquelle 24. Der Hafniumdraht 23 auf der Seite der Stäbe 14 wird nicht gescholzen, sondern bleibt mit den Stäben 14 in der Form eines Drahtes verbunden. Der Augenblick, in dem der Hafniumdraht 23 schmilzt, kann, wie oben erwähnt, mit bloßem Auge wahrgenommen werden. Wenn der Hafniumdraht unter Verwendung einer Konstantspannungsquelle 13 erwärmt wird, läßt sich der Moment, in dem der Draht schmilzt, leicht auch an der Stromänderung erkennen.

Der Draht 23 muß nicht notwendigerweise in die Form einer kugelförmigen Abgabe- bzw. Vorratsquelle 24 geschmolzen werden; es sollte wenigstens ein Zusammenführungsabschnitt zwischen dem Faden 2 und dem Hafniumdraht 23 ausgebildet werden. Kurz gesagt heißt dies, daß der Zusammenführungsabschnitt die gleiche Funktion wie die Abgabequelle 24 zeigt.

Ferner müssen nicht beide Enden des Hafniumdrahts 23 notwendigerweise mit den Stäben 14, 14, punktverschweißt sein, sondern sie können auch in einem freien Zustand vorliegen. In diesem Fall wird der Zusammenführungsabschnitt zwischen dem Faden 2 und dem Hafniumdraht 23 durch Heizen des Fadens 2 durch den elektrischen Strom bewirkt. Der Hafniumdraht 23 kann durch eine andere Spannungsquelle erwärmt werden. Ferner kann der Hafniumdraht nicht nur durch elektrischen Strom, sondern auch durch einen Gasbrenner oder dergleichen erwärmt werden.

Der Hafniumdraht 23 muß nicht um den gesamten Faden 2, sondern kann auch nur auf der einen Seite um diesen gewickelt sein. In diesem Fall wird nur ein Zusammenführungsabschnitt bzw. nur eine Abgabequelle ausgebildet.

Die gemäß Fig. 9C aufgebaute Feldemissionskathode wird gemäß Fig. 10 in einer Hochvakuumkammer angeordnet, um die Grundeigenschaften der Feldemission zu messen. Bei Erwärmung der Feldemissionskathode der Fig. 9C im Vakuum kommt es zu einer Diffusion der Abgabequelle 24 aus Hafnium auf der Oberfläche des haarnadelförmigen Fadens 2 aus Wolfram oder Molybdän, wodurch die Oberfläche der Einkristallspitze 1 bedeckt wird. Wenn nach Fig. 10 zur Aufheizung der Spitze 1 auf ungefähr 1400°C dem Faden 2 ein elektrischer Strom unter gleichzeitigem Anlegen einer Hochspannung an den Faden 2 mittels einer Spannungsquelle 5 zugeführt wird, erhält man ein Feldemissionselektronenmikrobild auf einer Anodenplatte 11, deren Oberfläche mit einem fluoreszierenden Material beschichtet ist. In der Mitte der Anodenplatte 11 ist ein kleines Loch 26 ausgebildet, durch das man einen Öffnungswinkel von 20 mrad von der Spitze 1 sieht, und auf das kleine Loch 26 einfallende Elektronen werden in einem Faraday-Käfig 27 aufgefangen und mittels eines Mikroampermeters 28 gemessen.

Wenn Sauerstoffgas zur Verminderung des Emissionswinkels eingeführt und der Partialdruck des Sauerstoffgases auf 2,0 · 10^-5 Pa eingestellt wird, ist die Austrittsarbeit minimal und man erhält ein Feldemissionselektronenmikrobild mit verminderem Emissionswinkel, wie es in Fig. 11 gezeigt ist. Wenn die Spitze allein aus einem Einkristall aus Wolfram besteht, besitzt die Emission einen Öffnungswinkel von ungefähr 1 rad, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 10 angegeben ist. In Fig. 11 beträgt der Öffnungswinkel ungefähr 1/4 rad. Bei einer Temperatur von 1400°C werden ein Elektronenmikrobild (gestrichelte Linien in seitlicher Richtung in Fig. 11) und Feldemissionselektronenmikrobilder aus vier (100)-Ebenen auf der Seite der Spitze im Bereich auf der Außenseite des Öffnungswinkels von 1 rad beobachtet, wenn auch die Stromdichten sehr gering sind. Das zentrale winkelmäßig eingegrenzte Feldemissionselektronenmikrobild hat Stromdichten in den ringförmigen Umfangsbereichen, die zwei- bis viermal größer als diejenige des zentralen Teils sind. Der Strom ist jedoch zum Zentrum hin mehrere Male stabiler. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der mit dem Faraday-Käfig 27 gemessene Sondenstrom 1 µA, wenn der mit der Anodenplatte 11 gemessene Gesamtemissionsstrom 200 µA (einschließlich thermischer Elektronen von 50 µA an der Außenseite des Elektronenmikrobilds) beträgt, was der Situation entspricht, wenn ein Gesamtemissionsstrom von ungefähr 1 mA mit der obenerwähnten <310<-orientierten Wolframspitze gezogen wird. Obwohl nicht speziell erwähnt, ist die Stromstabilität in diese Zustand vergleichbar mit der der Emission von thermischen Elektronen; Δ Ip/Ip (Änderung Δ Ip relativ zum Sondenstrom Ip) ist bei einem Sondenstrom von 1 µA kleiner als 1%. Ferner, was die erfindungsgemäße Feldemissionskathode eindrucksvoll unterschiedlich zu einer herkömmlichen Feldemissionskathode macht, ist der Umstand, daß Sauerstoffgas der Größenordnung 1,3 · 10^-7 Pa dauernd eingeführt wird, um den Emissionswinkel zu vermindern und die Stabilität zu erhöhen. Der Anteil des auf thermische Elektronenemission zurückgehenden Stromes im gesamten Emissionsstrom nimmt zu, wenn die Kathode bei höheren Temperaturen betrieben wird.

Im Falle der Spitze mit gemäß Fig. 11 vermindertem Emissionswinkel und der kleinsten Austrittsarbeit existiert eine Beziehung zwischen der Temperatur der Spitze und dem Partialdruck von Sauerstoff. Im Falle der Hafniumspitze betrug der Druck 5,3 · 10^-6 Pa bei einer Spitzentemperatur von 1200°C, 8,0 · 10^-6 Pa bei einer Spitzentemperatur von 1300°C, 3,7 · 10^-5 Pa bei einer Spitzentemperatur von 1500°C und 2,0 · 10^-5 Pa bei einer Spitzentemperatur von 1400°C. Die Kathode kann daher über erhebliche Bereiche von Spitzentemperatur und Sauerstoffpartialdruck verwendet werden. Wenn jedoch kein Sauerstoffgas eingeführt wird (bzw. wenn kein Sauerstoffpartialdruck als Restgas vorhanden ist) kommt es, wie in Fig. 12A gezeigt, zu einer Anhaftung von Hafnium nur an der (100)-Ebene von Wolfram. Fig. 12C zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn die Austrittsarbeit auf der (100)-Ebene minimal ist, Fig. 12B zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn der Partialdruck von Sauerstoff bei einer gegebenen Spitzentemperatur kleiner als der der Fig. 12C ist, und Fig. 12D zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn der Partialdruck von Sauerstoff hoch ist. Wie in Fig. 11 gezeigt, hat die zentrale (100)-Ebene eine Stromdichte, die die Hälfte bis ein Vierteil derjenigen des umgebenden Ringabschnitts ist. Hinsichtlich der Fig. 12B bis 12D erscheint auch das Thermoemissionselektronenmikrobild, wie es in Fig. 11 gezeigt ist, bei einer Temperatur von mehr als 1400°C, ist aber nicht dargestellt. Fig. 12E gibt grob die Stärke der Stromdichte wieder.

Ein weiteres Vergleichsbeispiel betrifft den Fall, daß Zirkon anstelle von Hafnium verwendet wird. Die Spitze dieser Ausführungsform kann nach genau dem gleichen Verfahren, wie es durch die Fig. 9A bis 9C zum Ausdruck kommt, hergestellt werden. Die Erwärmungstemperatur zur Herstellung der Spitze in den Schritten der Fig. 9B und 9C kann um einen Betrag gesenkt werden, der gleich der Differenz zwischen dem Schmelzpunkt von Hafnium und dem Schmelzpunkt von Zirkon ist. Wenn die Feldemission in der gleichen Weise wie in Fig. 10 bewirkt wird, ergeben sich Feldemissionselektronenmikrobilder, die genau die gleichen wie die der Fig. 11 und Fig. 12A bis 12D sind. Ferner ist die Beziehung zwischen der Spitzentemperatur und dem Partialdruck von Sauerstoff, die die minimale Austrittsarbeit ergibt, im Anfangsstadium der Benutzung nahezu gleich der von Hafnium. Nach einem Einsatz der Kathode von 1 bis 2 Stunden jedoch kann der Sauerstoffpartialdruck auf 1/3 bis 1/4 gesenkt werden, während die Spitzentemperatur konstant gehalten wird. Nach einem Einsatz der Kathode über 3 bis 4 Stunden kann der Sauerstoffpartialdruck auf ungefähr 1/10 des Anfangsdruck gesenkt werden. Im stationären Betrieb muß der Sauerstoffpartialdruck 1/10 bis 1/100 verglichen mit dem Fall von Hafnium sein. Dies geht vermutlich auf die Tatsache zurück, daß im Falle von Zirkon die Oxidation in der Diffusionsabgabequelle in gewissem Maße beschleunigt wird.

Wird dagegen erfindungsgemäß Titan verwendet, wobei auch in diesem Fall die Kathodenspitze wie bei Verwendung von Zirkon oder Hafnium hergestellt wird, so ergibt sich der große Vorteil, daß die Kathode bei einer Temperatur von ungefähr 1100°C stabil arbeitet, ohne daß Sauerstoff besonders zugeführt werden muß.

Die Spitze, die als Feldemissionskathode verwendet wird, muß in den Grundzügen die Form der Fig. 9C haben; die Reihenfolge der Herstellungsschritte spielt keine große Rolle. So können die Vorgänge der Fig. 9B und 9C vor dem Anbringen des haarnadelförmigen Fadens 2 aus Wolfram oder Molybdän durchgeführt werden, oder der Einkristalldraht 1 kann am Faden 2 befestigt werden, gefolgt vom elektrolytischen Polieren, oder die Vorgänge der Fig. 9B und 9C können durchgeführt werden, nachdem der Einkristalldraht 1 am haarnadelförmigen Draht 2 angebracht ist, gefolgt vom elektrolytischen Polieren.

Neben dem Umwickeln des Drahtes aus Titan um den haarnadelförmigen Faden 2 ist es auch zulässig, einen Draht 23 aus Hafnium, Zirkon oder Titan an einer Seite oder beiden Seiten des haarnadelförmigen Fadens 2, wie dies in Fig. 13A gezeigt ist, anzubringen und damit eine sphärische Abgabequelle 24, wie sie in Fig. 13B gezeigt ist, auszubilden. Die Abgabequelle muß nicht in einer Kugel ausgebildet werden, sondern kann einfach am Faden angebracht sein. Ferner kann der Einkristalldraht vor oder nach der Herstellung der kugelförmigen Abgabequelle zur Spitze 1 elektrolytisch poliert werden.

Gemäß der Erfindung reicht die Spitzentemperatur, bei der der Strom stabil gehalten werden kann, von 860°C bis 1500°C.

Ferner ist die erfindungsgemäß hergestellte Spitze am besten geeignet, wenn ein großer Sondenstrom mit einem Fleckdurchmesser von ungefähr 0,1 µm, wie bei einem Elektronenstrahllithographiegerät, gewünscht wird. Man erhielt einen Sondenstrom mit einer Änderung seines Pegels von weniger als 1% pro Stunde und mit Kurzzeitschwankungen (Rauschen) von weniger als 1%, was weitaus besser als die Stabilität ist, die jemals mit herkömmlichen Feldemissionskathoden erreicht wurde.

Claims

1. Feldemissionskathode, bei der am Scheitel eines feinen, haarnadelförmigen Heizdrahtes (2) aus hochtemperaturbeständigem Metall eine Elektronen emittierende Spitze (1) aus einem Einkristall aus Wolfram oder Molybdän angebracht ist, an deren Oberfläche eine einatomare Metallschicht über Sauerstoff adsorbiert ist, wobei dieses Metall eine kleinere Austrittsarbeit hat als das die Spitze (1) bildende Metall und ein Oxid dieses Metall gegen hohe Temperaturen beständig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einatomare Metallschicht aus Titan besteht.

2. Verfahren zum Herstellen einer Feldemissionskathode nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) ein gegenüber hohen Temperaturen beständiger feiner Metalldraht (2) wird in Haarnadelform gebracht,
b) am Scheitel der Haarnadelform wird eine Spitze (1) aus einem Einkristall aus Wolfram oder Molybdän angebracht,
c) an der Oberfläche der Spitze wird Sauerstoff in einatomarer Schichtdicke adsorbiert, und
d) auf die Oberfläche der Spitze (1), wo Feldemission auftreten kann, wird ein Metall, das eine kleinere Austrittsarbeit hat als das Metall der Spitze (1) und ein gegen hohe Temperaturen beständiges Oxid bildet, in einatomarer Schichtdicke in Vakuum aufgedampft,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

e) der Sauerstoff an der Oberfläche der Spitze (1) wird dadurch adsorbiert, daß in das Vakuum beim Aufdampfen der einatomaren Metallschicht aus Titan Sauerstoffgas eingeführt wird,
f) das Sauerstoffgas wird zur erneuten Herstellung einer Vakuumatmosphäre, in der Feldemission auftreten kann, evakuiert, und
g) die Spitze wird 10 bis 60 s lang auf eine Temperatur zwischen 1300 und 1600°C erwärmt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1) zwischen dem Adsorbieren und dem Evakuieren erwärmt wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskathode nach Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen:

a) ein gegen hohe Temperaturen beständiger feiner Metalldraht (2) wird in Haarnadelform gebracht,
b) am Scheitel der Haarnadelform wird eine Spitze (1) aus einem Einkristall aus Wolfram oder Molybdän angebracht, und
c) ein Metallteil, das eine kleinere Austrittsarbeit hat als das Metall der Spitze (1) und ein gegen hohe Temperaturen beständiges Oxid bildet, wird vorgesehen,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) der Metallteil (24) wird an dem haarnadelförmigen Metalldraht (2) angebracht,
e) die Spitze (1) wird in einer Vakuumatmosphäre, in der Feldemission möglich ist, auf eine Temperatur von 860 bis 1500°C erwärmt, und
f) in die Vakuumatmosphäre wird Sauerstoffgas unter einem Partialdruck von weniger als 6,7 × 10^-5 Pa eingeführt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze (1) nach dem Anbringen des Metallteils (24) an dem haarnadelförmigen Metalldraht (2) angebracht wird.