DE3150848C3

DE3150848C3 - Elektronenstrahlerzeugungssystem für hohe Helligkeit

Info

Publication number: DE3150848C3
Application number: DE3150848A
Authority: DE
Inventors: Hirotoshi Hagiwara; Hideo Hiraoka; Masaji Ishii
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1980-12-27
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2001-12-23
Also published as: US4591754A; DE3150848A1; GB2090698B; JPS57128433A; DE3150848C2; GB2090698A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronenstrahlerzeugungssystem für hohe Helligkeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiges Elektronenstrahlerzeugungssystem ist aus Japanese Journal of Applied Physics, Letters, Bd. 19, 1980, Nr. 9, S. L537-L540 bekannt.

Thermionische Elektronenemissionskathoden aus einem LaB₆-Einkristall haben eine große Helligkeit und eine lange Lebensdauer sowie eine ausgezeichnete Stabilität des Elektronenstrahls. Sie eignen sich somit als Kathode für ein Elektronenstrahlerzeugungssystem, das üblicherweise auch als Elektronenkanone bezeichnet wird und bei verschiedensten Geräten zur Anwendung kommt, welche mit einem Elektronenstrahl arbeiten, z. B. bei Elektronenmikroskopen und bei Geräten, in denen ein Substrat einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird.

Eine Kathode aus einem LaB₆-Einkristall hat eine höhere Reinheit im Vergleich zu einer gesinterten LaB₆-Kathode. Darüber hinaus hat eine solche Elektrode eine glatte, gleichmäßige Oberfläche, so daß die Stabilität des Elektronenstrahls verbessert ist. Man kann auf diese Weise die Schwankungen des Elektronenstrahls auf 1%/h oder weniger herabdrücken. Es ist jedoch bisher nicht gelungen, eine Elektronenkanone aus einer LaB₆-Einkristall-Kathode zu schaffen, welche während einer langen Zeitdauer eine hohe Helligkeit liefert. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer LaB₆-Einkristall-Kathode, welche nicht nur einen stabilen Elektronenstrahl liefert, sondern auch während einer langen Lebensdauer eine große Helligkeit liefert.

LaB₆-Einkristall-Kathoden mit der Axialrichtung [100], [110] oder [111] wurden bereits untersucht, vergl. z. B. den eingangs genannten Zeitschriftartikel.

Dort wird berichtet, daß die Helligkeit einer LaB₆-Einkristall-Kathode mit der [100]-Richtung am höchsten ist und daß die Helligkeit einer LaB₆-Einkristall-Kathode mit der Richtung [110] geringer ist und daß die Helligkeit bei der [111]-Richtung noch geringer ist.

Die Erfinder haben festgestellt, daß eine Elektronenkanone mit einer LaB₆-Einkristall-Kathode mit der Richtung [100] mindestens das 10fache der Helligkeit einer Wolfram- Haarnadelkathode, und zwar zu Beginn des Betriebs, liefert, daß jedoch die Helligkeit im Verlauf der Betriebsdauer abfällt, und zwar auf etwa das 2fache einer Wolfram- Haarnadelkathode. Wenn man andererseits eine Einkristall-Kathode der Richtung [110] oder [111] in einer Elektronenkanone verwendet, und zwar in Kombination mit einer ebenen (üblichen) Wehneltelektrode der Fig. 1, so kann man gemäß Fig. 2 von Beginn an keine befriedigende Helligkeit erbringen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Elektronenstrahlerzeugungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die hohe Helligkeit während einer langen Zeitdauer aufrechterhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektronenstrahlerzeugungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch eine Elektronenkanonen- Kathode mit einer herkömmlichen (ebenen) Wehneltelektrode,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Helligkeit für die Axialrichtung von LaB₆-Einkristall-Kathoden bei Verwendung der bekannten Elektronenkanone mit einer ebenen Wehneltelektrode,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen der Kathodenspitzen,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Helligkeit bei Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäß ausgebildeten Elektronenkanone,

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Elektronenstrahls und

Fig. 7 und 8 jeweils vertikale Schnitte durch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Elektronenstrahlerzeugungssystems mit einer konvexen Wehneltelektrode.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem (im folgenden auch kurz als Elektronenkanone bezeichnet) für hohe Helligkeit umfaßt eine LaB₆-Einkristall-Kathode. Diese Kathode weist an mindestens einem Teil der Hauptelektronenemissionsflächen der Kathodenspitze eine [100]-Fläche auf. Die konvexe Form der verwendeten Wehneltelektrode ist in den Fig. 7 und 8 dargestellt. Das erfindungsgemäße Elektronenstrahlerzeugungssystem führt zu einer Helligkeit, welche mindestens dem 10fachen der Helligkeit einer Wolfram- Haarnadelkathode entspricht. Die Lebensdauer des erfindungsgemäßen Systems beträgt 1000 h oder mehr.

Die Kathodenspitze, welche nach oben spitz zuläuft, kann eine konische Gestalt in Form eines Kegels gemäß Fig. 3 aufweisen oder eine konische Gestalt in Form einer Pyramide gemäß Fig. 4. Bei herkömmlichen LaB₆-Elektronenkanonen wird nur der Elektronenstrahl verwendet, der von der scharf zulaufenden Spitze emittiert wird. Die Wehneltelektrode wird zu diesem Zweck mit einer hohen Vorspannung beaufschlagt. Wenn man eine LaB₆-Einkristall-Kathodenspitze mit einem kegelförmig zugespitzten Ende verwendet, so geht beim Erhitzen die kegelförmige Form der Spitze allmählich in eine pyramidale Form über, und zwar beginnend an der Kante der Spitze. Sobald sich an der Pyramide die [100]-Fläche ausgebildet hat, liegt ein stabiler Zustand vor. Wenn man nun eine Elektronenkanone mit einer der Emission eines Elektronenstrahls nur vom spitz zulaufenden Ende der Kathodenspitze angepaßten Struktur als herkömmliche Elektronenkanone verwendet, und wenn sich die Spitze während der Beheizung in eine pyramidale Form umwandelt, so wird die den Elektronenstrahl emittierende Fläche verringert, und der Zustand des elektrischen Feldes rund um die Kathodenspitze verändert sich aufgrund von Einwirkungen der Anode und der Wehneltelektrode, und es kommt zu einer Verringerung der Elektronenstrahlemission, wodurch auch die Helligkeit beträchtlich gesenkt wird.

Im folgenden werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Beispiel 1

Es wird eine LaB₆-Einkristall-Kathode gemäß Fig. 3 verwendet. Diese weist eine Kathodenspitze auf mit einem in einer vertikalen Ebene gemessenen Konuswinkel von 70° in der [111]-Richtung (5) oder einen Konuswinkel von 53° in der [210]-Richtung. Es wird ferner eine konvexe Wehneltelektrode gemäß Fig. 7 verwendet und zwischen Kathode und Anode angeordnet. Der von den [100]-Flächen emittierte Elektronenstrahl, welcher in der Hauptsache an den konischen Flächen (4) der Kathodenspitze gebildet wird, hat eine hohe Stromdichte und bildet eine Kreuzungsstelle mit einem kleinen Durchmesser, wobei die Helligkeit mehr als das 10fache der Helligkeit einer Wolfram-Haarnadelkathode beträgt (Fig. 5). Während des Erhitzens wandelt sich die Kathodenspitze in eine pyramidale Form um. Somit werden an den Pyramidenflächen [100]-Flächen gebildet. Die Stromdichte und der Durchmesser an der Kreuzungsstelle werden im wesentlichen nicht geändert, und auch die Helligkeit wird im wesentlichen nicht geändert.

Im Falle einer Kathodentemperatur von 1550°C (konstante Temperatur) und im Falle eines Vakuums der Elektronenkanone von 10,64×10^-8 mbar beträgt die Helligkeit mehr als das 10fache der Helligkeit einer Wolfram-Haarnadelkathode, und diese Helligkeit kann während mehr als 1000 h aufrechterhalten werden. Die axiale Richtung und der Konuswinkel der Kathodenspitze können errechnet werden aus einem Winkel der Kristallfläche in der gewünschten Axialrichtung zur [100]-Fläche, da der LaB₆-Kristall dem kubischen kristallinen System angehört. Die Kathodenspitze kann eine pyramidale Form aufweisen, falls die Hauptemissionsfläche in der [100]-Ebene orientiert ist.

Bei einem typischen Beispiel der Kathodenspitze wird die Axialrichtung (5) gebildet durch die [111]-Richtung, und drei Pyramidenflächen (4) werden durch [100]-Flächen gebildet. Es kann auch eine Kathodenspitze verwendet werden, bei der sich die Pyramidenflächen mit [100]-Flächen beim Erhitzen während des Gebrauchs bilden.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Orte des Elektronenstrahls, welcher an den [100]-Flächen emittiert wird, und zwar an den kegelförmigen oder pyramidalen Flächen der Kathodenspitze bei unterschiedlichem elektrischen Feld der Wehneltelektrode.

Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird die konvexe Form der Wehneltelektrode gewählt. Dies führt zur Verringerung des Durchmessers der Kreuzungsstelle (8) des Elektronenstrahls, welche an den [100]- Flächen der kegelförmigen Fläche oder der pyramidalen Flächen der Kathodenspitze emittiert wird. Auch ist der Divergenzwinkel α des Elektronenstrahls an der Kreuzungsstelle geringer. Wenn man andererseits eine herkömmliche Wehneltelektrode mit ebener Gestalt verwendet, so ist der Durchmesser der Kreuzungsstelle des Elektronenstrahls größer, und auch der Divergenzwinkel α des Elektronenstrahls ist größer als bei der konvexen Form der Wehneltelektrode. Man erkennt somit, daß die Helligkeit β der Gleichung (1) im Falle einer Wehneltelektrode mit konvexer Form größer ist als im Falle einer Wehneltelektrode mit ebener Form.

In der Formel (1) bezeichnet I die Stromstärke des Elektronenstrahls, γ den Durchmesser der Kreuzungsstelle und α den Divergenzwinkel des Elektronenstrahls.

Die Bemessung des Konuswinkels (R₂) der konvexen Form der Wehneltelektrode gemäß Fig. 7 wird mit Blick auf das elektrische Feld in der Nähe der Kathodenspitze getroffen. Auf diese Weise erhält man die günstigste konvexe Form der Wehneltelektrode im Sinne einer Verringerung des Durchmessers der Kreuzungsstelle und des Divergenzwinkels des Elektronenstrahls. Wenn ein Teil der Halterung der Kathode in Berührung mit der Wehneltelektrode steht, so kann die konvexe Form der Wehneltelektrode einen Konuswinkel von 160° oder weniger haben.

Bei Verwendung einer Wehneltelektrode mit der beschriebenen konvexen Form ist es nicht immer erforderlich, eine Außenwandung (11) der Wehneltelektrode vorzusehen, welche parallel zur Innenwandung (12) verläuft. In diesem Falle kann der Winkel der schrägen Fläche der Innenwandung (12) gleich dem Konuswinkel der Kathodenspitze (R₁) sein oder größer als dieser Winkel sein.

Daher kann die Wehneltelektrode mit konvexer Form den Aufbau gemäß Fig. 8 haben. In diesem Falle liegt die Innenwandung (12) der Wehneltelektrode als schräge Fläche vor, deren eingeschlossener Winkel ähnlich ist dem Konuswinkel der Spitze. Die Außenfläche hat jedoch keinen Außenwinkel.

Claims

Elektronenstrahlerzeugungssystem für hohe Helligkeit mit einer LaB₆-Einkristall-Kathode mit einem konischen bzw. pyramidalen, in einer Spitze mündenden Ende, das einer Wehneltelektrode gegenüber liegt, dadurch gekennzeichnet, daß in Kombination
- a) das konische Ende der Einkristall-Kathode eine Kristallachsenrichtung von [111] und einen konischen vertikalen Winkel von 70°;
  oder eine Kristallachsenrichtung von [210] und einen konischen vertikalen Winkel von 53° aufweist,
- b) in der [100]-Ebene orientierte Mantelflächen des Konus bzw. der Pyramide mindestens einen Teil der Hauptelektronenstrahl- Emissionsflächen der Einkristall-Kathode bilden, und
- c) die dem konischen bzw. pyramidalen Ende der Kathode zugewandten Flächen der Wehneltelektrode einen Konus bilden, der die gleiche Orientierung sowie den gleichen oder größeren Konuswinkel aufweist wie das konische Ende der Kathode.