JP3264775B2 - 熱電界放射電子銃 - Google Patents
熱電界放射電子銃Info
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J3/00—Details of electron-optical or ion-optical arrangements or of ion traps common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
- H01J3/02—Electron guns
- H01J3/021—Electron guns using a field emission, photo emission, or secondary emission electron source
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
- H01J37/06—Electron sources; Electron guns
- H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
-
- H—ELECTRICITY
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- H01J2201/00—Electrodes common to discharge tubes
- H01J2201/30—Cold cathodes
- H01J2201/317—Cold cathodes combined with other synergetic effects, e.g. secondary, photo- or thermal emission
-
- H—ELECTRICITY
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- H01J2237/06308—Thermionic sources
- H01J2237/06316—Schottky emission
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡、測長機、
電子ビーム露光機、電子ビームテスターなどの電子ビー
ム利用機器に用いられる熱電界放射電子銃に関する。
電子ビーム露光機、電子ビームテスターなどの電子ビー
ム利用機器に用いられる熱電界放射電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子ビーム利用機器の低加速電圧
化、高分解能化、高スループット化を進めるために、低
い電圧で高い電流密度を安定に供給する電子源が要求さ
れている。このために、従来の熱電子放射電子銃よりも
高輝度で長寿命であり、また冷電界放射電子銃よりも安
定であるとの理由から、軸方位が＜１００＞方位のタン
グステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる
被覆層を設けた熱電界放射陰極とサプレッサー電極から
なる熱電界放射電子銃が使用されるようになってきた。
化、高分解能化、高スループット化を進めるために、低
い電圧で高い電流密度を安定に供給する電子源が要求さ
れている。このために、従来の熱電子放射電子銃よりも
高輝度で長寿命であり、また冷電界放射電子銃よりも安
定であるとの理由から、軸方位が＜１００＞方位のタン
グステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる
被覆層を設けた熱電界放射陰極とサプレッサー電極から
なる熱電界放射電子銃が使用されるようになってきた。
【０００３】しかし、従来の熱電界放射電子銃ではサプ
レッサー電極にモリブデンを用いていたが、モリブデン
は表面の酸化が進み易く、しかもその酸化物はガスを吸
蔵し易いので、熱電界放射電子銃の使用時に真空度を劣
化させ、時には放電現象を発生して破損してしまうこと
や、もしくは、エミッションの立ち上がり時間が長くな
るといった問題があった。
レッサー電極にモリブデンを用いていたが、モリブデン
は表面の酸化が進み易く、しかもその酸化物はガスを吸
蔵し易いので、熱電界放射電子銃の使用時に真空度を劣
化させ、時には放電現象を発生して破損してしまうこと
や、もしくは、エミッションの立ち上がり時間が長くな
るといった問題があった。
【０００４】このために、サプレッサー電極の材質に関
して、従来から検討がされてきた。例えば、特開平２−
９４２３７号公報では、ステンレス鋼を用いることで、
ガス放出を抑え、放電現象による破損を防止することが
開示されている。又、特開平６−１２９７３号公報で
は、水素ガスの拡散係数が所定の値より小さな材質のも
のをサプレッサー電極とし、しかも所定の立ち上げ条件
下で操作することにより、放電現象を発生させずに安定
して立ち上げる方法が開示されている。しかし、前記開
示の方法によっても、短時間内に安定した電子ビームを
得られないことがあった。
して、従来から検討がされてきた。例えば、特開平２−
９４２３７号公報では、ステンレス鋼を用いることで、
ガス放出を抑え、放電現象による破損を防止することが
開示されている。又、特開平６−１２９７３号公報で
は、水素ガスの拡散係数が所定の値より小さな材質のも
のをサプレッサー電極とし、しかも所定の立ち上げ条件
下で操作することにより、放電現象を発生させずに安定
して立ち上げる方法が開示されている。しかし、前記開
示の方法によっても、短時間内に安定した電子ビームを
得られないことがあった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、短時
間内に安定した電子ビームを再現性良く得られ、使用条
件下で真空劣化を低く抑える熱電界放射電子銃を供給す
ることである。また、本発明の他の目的は、加工性に優
れ作製費用の低い熱電界放射電子銃用のサプレッサー電
極を供給することである。
間内に安定した電子ビームを再現性良く得られ、使用条
件下で真空劣化を低く抑える熱電界放射電子銃を供給す
ることである。また、本発明の他の目的は、加工性に優
れ作製費用の低い熱電界放射電子銃用のサプレッサー電
極を供給することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、軸方位が＜１
００＞方位のタングステン単結晶ニードルの表面にジル
コニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極
とサプレッサー電極からなる熱電界放射電子銃におい
て、該サプレッサー電極が水素含有量が６０ｐｐｍ以下
のチタン又はチタンを主成分とする合金からなることを
特徴とする熱電界放射電子銃である。
００＞方位のタングステン単結晶ニードルの表面にジル
コニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極
とサプレッサー電極からなる熱電界放射電子銃におい
て、該サプレッサー電極が水素含有量が６０ｐｐｍ以下
のチタン又はチタンを主成分とする合金からなることを
特徴とする熱電界放射電子銃である。
【０００７】
【作用】以下、本発明について図を参照しながら説明す
る。
る。
【０００８】図１は本発明の熱電界放射電子銃の構造を
示す断面図である。軸方位が＜１００＞方位からなり、
ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けたタングステ
ン単結晶ニードル１が、支持加熱するためのタングステ
ンフィラメント２に溶接固定されている。前記タングス
テンフィラメント２は、アルミナ製の絶縁碍子５を通し
て固定された金属支柱４にも溶接固定されている。サプ
レッサー電極３は、タングステン単結晶ニードル１の突
き出し長さを適切に調整して、該サプレッサー電極３の
側面に設けた固定ネジ６を締めて絶縁碍子５に固定され
ている。
示す断面図である。軸方位が＜１００＞方位からなり、
ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けたタングステ
ン単結晶ニードル１が、支持加熱するためのタングステ
ンフィラメント２に溶接固定されている。前記タングス
テンフィラメント２は、アルミナ製の絶縁碍子５を通し
て固定された金属支柱４にも溶接固定されている。サプ
レッサー電極３は、タングステン単結晶ニードル１の突
き出し長さを適切に調整して、該サプレッサー電極３の
側面に設けた固定ネジ６を締めて絶縁碍子５に固定され
ている。
【０００９】熱電界放射電子銃は、約10ー9Torrの真空下
で約1500℃に加熱されて使用されるので、そのサプレッ
サー電極３は、導電性であり、高温高真空下でガス発生
の少なく、また非磁性である材料で構成されなければな
らない。更に、サプレッサー電極３は、その中央部に約
0.4ｍｍの孔を開けて、そこに太さ約0.13ｍｍのタング
ステン単結晶ニードル１の先端部を突き出して使用され
るので、精密な寸法に加工されている必要があるし、絶
縁碍子５などの他の部品と組み合わせて加熱されても寸
法の狂いが発生しないことが必要である。
で約1500℃に加熱されて使用されるので、そのサプレッ
サー電極３は、導電性であり、高温高真空下でガス発生
の少なく、また非磁性である材料で構成されなければな
らない。更に、サプレッサー電極３は、その中央部に約
0.4ｍｍの孔を開けて、そこに太さ約0.13ｍｍのタング
ステン単結晶ニードル１の先端部を突き出して使用され
るので、精密な寸法に加工されている必要があるし、絶
縁碍子５などの他の部品と組み合わせて加熱されても寸
法の狂いが発生しないことが必要である。
【００１０】本発明者らは、いろいろ検討した結果、水
素含有量が60ｐｐｍ以下のチタン又はチタンを主成分と
する合金をサプレッサー電極に用いる時、前記の諸要求
特性を満たし、所期の目的を満足することを実験的に見
いだし、本発明に至ったものである。
素含有量が60ｐｐｍ以下のチタン又はチタンを主成分と
する合金をサプレッサー電極に用いる時、前記の諸要求
特性を満たし、所期の目的を満足することを実験的に見
いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】本発明におけるチタン又はチタンを主成分
とする合金とは、ＪＩＳ、ＡＳＴＭ他の各種基準に定め
られている99％以上の工業用純チタン、0.15Pd添加チタ
ン合金、5Ta添加チタン合金、5Al-2.5Sn添加チタン合
金、8Al-1Moー1V添加チタン合金、6Al-4V添加チタン合
金、6Al-6V-2Sn添加チタン合金、6Al-2Sn-4Zr-2Mo添加
チタン合金などの非磁性のチタン合金を言う。
とする合金とは、ＪＩＳ、ＡＳＴＭ他の各種基準に定め
られている99％以上の工業用純チタン、0.15Pd添加チタ
ン合金、5Ta添加チタン合金、5Al-2.5Sn添加チタン合
金、8Al-1Moー1V添加チタン合金、6Al-4V添加チタン合
金、6Al-6V-2Sn添加チタン合金、6Al-2Sn-4Zr-2Mo添加
チタン合金などの非磁性のチタン合金を言う。
【００１２】本発明目的の、短時間で安定な電子ビーム
を再現性良く得る為には、サプレッサー電極にチタン又
はチタンを主成分とする合金を用いることが必須であ
る。チタン又はチタンを主成分とする合金からなるサプ
レッサー電極は、その使用条件下においてガス発生が極
めて少ない特徴がある。チタンは大気等に触れて表面に
極薄い酸化被膜が形成されると酸化がそれ以上進行しに
くく、しかも、生成した酸化物のガス吸蔵する割合が従
来のモリブデン等よりも非常に少ないという性質を持っ
ている。両者の効果によりチタン又はチタンを主成分と
する合金の酸化被膜中のガス吸蔵量は非常に少なくな
る。従って、チタン又はチタンを主成分とする合金から
なるサプレッサー電極は、使用条件下でイオンの衝突に
よって発生するガス量を従来のモリブデン等からなるも
のに比べ極めて少なくできる。
を再現性良く得る為には、サプレッサー電極にチタン又
はチタンを主成分とする合金を用いることが必須であ
る。チタン又はチタンを主成分とする合金からなるサプ
レッサー電極は、その使用条件下においてガス発生が極
めて少ない特徴がある。チタンは大気等に触れて表面に
極薄い酸化被膜が形成されると酸化がそれ以上進行しに
くく、しかも、生成した酸化物のガス吸蔵する割合が従
来のモリブデン等よりも非常に少ないという性質を持っ
ている。両者の効果によりチタン又はチタンを主成分と
する合金の酸化被膜中のガス吸蔵量は非常に少なくな
る。従って、チタン又はチタンを主成分とする合金から
なるサプレッサー電極は、使用条件下でイオンの衝突に
よって発生するガス量を従来のモリブデン等からなるも
のに比べ極めて少なくできる。
【００１３】更に、チタン又はチタンを主成分とする合
金は、従来のモリブデン等に比べ機械加工性に優れ、肉
薄部分でひび割れが生じにくい、切削加工面が滑らかで
ある等の特徴を有する。切削加工面が粗いばあいには、
固体の表面積が大きくなるので、その結果としてガス吸
蔵量が増加することになるが、機械加工性に優れるチタ
ン又はチタンを主成分とする合金では、表面粗さが中心
線平均粗さで0.8μｍ以下の平滑面を容易に得ることが
できるので、ガス吸蔵量の低減に有効である。加えて、
加工時の歩留まり向上、加工時間の短縮等を通じて、従
来のモリブデンの場合よりも加工費用を安価とすること
ができる。
金は、従来のモリブデン等に比べ機械加工性に優れ、肉
薄部分でひび割れが生じにくい、切削加工面が滑らかで
ある等の特徴を有する。切削加工面が粗いばあいには、
固体の表面積が大きくなるので、その結果としてガス吸
蔵量が増加することになるが、機械加工性に優れるチタ
ン又はチタンを主成分とする合金では、表面粗さが中心
線平均粗さで0.8μｍ以下の平滑面を容易に得ることが
できるので、ガス吸蔵量の低減に有効である。加えて、
加工時の歩留まり向上、加工時間の短縮等を通じて、従
来のモリブデンの場合よりも加工費用を安価とすること
ができる。
【００１４】チタン又はチタンを主成分とする合金の水
素含有量は60ｐｐｍ以下である。本発明者らは、チタン
又はチタンを主成分とする合金を用い、しかもその水素
含有量が60ｐｐｍ以下の時に、短時間で安定な電子ビー
ムを再現性良く得るという目的を満たすことができるこ
とを、実験的に見いだしたものである。この理由は明確
でないが、つぎのように考えられる。即ち、チタン又は
チタンを主成分とする合金を用いることでガス発生量が
大幅に低減するが、それでも60ｐｐｍを越える水素含有
量のものを用いる時には、使用条件下でのガス発生が著
しく、真空劣化を引き起こす場合がある。しかし、水素
含有量が60ｐｐｍ以下に限定したものを用いることで、
この現象を防止できる。
素含有量は60ｐｐｍ以下である。本発明者らは、チタン
又はチタンを主成分とする合金を用い、しかもその水素
含有量が60ｐｐｍ以下の時に、短時間で安定な電子ビー
ムを再現性良く得るという目的を満たすことができるこ
とを、実験的に見いだしたものである。この理由は明確
でないが、つぎのように考えられる。即ち、チタン又は
チタンを主成分とする合金を用いることでガス発生量が
大幅に低減するが、それでも60ｐｐｍを越える水素含有
量のものを用いる時には、使用条件下でのガス発生が著
しく、真空劣化を引き起こす場合がある。しかし、水素
含有量が60ｐｐｍ以下に限定したものを用いることで、
この現象を防止できる。
【００１５】チタン又はチタンを主成分とする合金につ
いて、本発明のサプレッサー電極のような形状は、通
常、厚板、棒材などの市販の塊状の形状のものから機械
加工法にて作製される。前記の市販チタンは一般に150
ｐｐｍ以下の水素を含有するので、水素含有量を分析し
60ｐｐｍ以下のものを選んで使用することもできるし、
約10ー5Torr以下の圧力下で約500℃以上で数時間の熱処
理を行い水素含有量を60ｐｐｍ以下にまで低減してから
用いることもできる。前記の熱処理は、機械加工前でも
或いは機械加工の後のいずれでも良い。
いて、本発明のサプレッサー電極のような形状は、通
常、厚板、棒材などの市販の塊状の形状のものから機械
加工法にて作製される。前記の市販チタンは一般に150
ｐｐｍ以下の水素を含有するので、水素含有量を分析し
60ｐｐｍ以下のものを選んで使用することもできるし、
約10ー5Torr以下の圧力下で約500℃以上で数時間の熱処
理を行い水素含有量を60ｐｐｍ以下にまで低減してから
用いることもできる。前記の熱処理は、機械加工前でも
或いは機械加工の後のいずれでも良い。
【００１６】以下、実施例にて、本発明を更に詳しく説
明する。
明する。
【００１７】
〔実施例１〜４及び比較例１〜４〕水素含有量105ｐｐ
ｍの市販のチタン及び6ALー4V添加チタン合金の丸棒（直
径20ｍｍ×長さ50ｍｍ）を5×10-6Torrの真空下で所定
の温度、時間で加熱処理を行った。これらのものの水素
含有量をJIS Z2614の方法で測定した。次に、加熱処理
した前記のチタン及びチタン合金丸棒の各々からサプレ
ッサー電極を機械加工法にて作製した。又、絶縁碍子の
金属支柱にタングステンワイヤーを溶接固定した後、タ
ングステン単結晶ニードルをタングステンワイヤー溶接
固定し、電解研磨法にてタングステン単結晶ニードルの
先端を尖らせた後、約1500℃に加熱しジルコニウムと酸
素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極を作製した。
この熱電界放射陰極と前記サプレッサー電極とをネジに
て固定、一体化して熱電界放射電子銃を作製した。これ
らの熱電界放射電子銃を5×10-10Torrまで真空排気した
真空中で電子ビームの放出を行い真空劣化の状況、立ち
上げ操作終了後の電子ビームが安定になるまでの時間を
調べた。立ち上げ終了後の電子ビームが安定になるまで
の時間の終了点は、電子ビームの時間当たりの変動率が
１％／ｈ未満になる時刻とした。尚、立ち上げ操作は特
開平６−１２９７３号公報の図２開示の方法によった。
また、比較例４として、従来のモリブデン製のサプレッ
サー電極を用いた場合についても測定した。以上の結果
を表１に示す。
ｍの市販のチタン及び6ALー4V添加チタン合金の丸棒（直
径20ｍｍ×長さ50ｍｍ）を5×10-6Torrの真空下で所定
の温度、時間で加熱処理を行った。これらのものの水素
含有量をJIS Z2614の方法で測定した。次に、加熱処理
した前記のチタン及びチタン合金丸棒の各々からサプレ
ッサー電極を機械加工法にて作製した。又、絶縁碍子の
金属支柱にタングステンワイヤーを溶接固定した後、タ
ングステン単結晶ニードルをタングステンワイヤー溶接
固定し、電解研磨法にてタングステン単結晶ニードルの
先端を尖らせた後、約1500℃に加熱しジルコニウムと酸
素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極を作製した。
この熱電界放射陰極と前記サプレッサー電極とをネジに
て固定、一体化して熱電界放射電子銃を作製した。これ
らの熱電界放射電子銃を5×10-10Torrまで真空排気した
真空中で電子ビームの放出を行い真空劣化の状況、立ち
上げ操作終了後の電子ビームが安定になるまでの時間を
調べた。立ち上げ終了後の電子ビームが安定になるまで
の時間の終了点は、電子ビームの時間当たりの変動率が
１％／ｈ未満になる時刻とした。尚、立ち上げ操作は特
開平６−１２９７３号公報の図２開示の方法によった。
また、比較例４として、従来のモリブデン製のサプレッ
サー電極を用いた場合についても測定した。以上の結果
を表１に示す。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【発明の効果】本発明により、短時間に安定した電子ビ
ームが再現性良く得られる熱電界放射電子銃をえること
ができるし、熱電界放射電子銃用のサプレッサー電極と
して、加工性に優れ作製費用が安価なチタン製のサプレ
ッサー電極を供給することができる。
ームが再現性良く得られる熱電界放射電子銃をえること
ができるし、熱電界放射電子銃用のサプレッサー電極と
して、加工性に優れ作製費用が安価なチタン製のサプレ
ッサー電極を供給することができる。
【図１】 本発明の熱電界放射電子銃の構造を示す断面
図である。
図である。
１ タングステン単結晶ニードル ２ タングステンフィラメント ３ サプレッサー電極 ４ 金属支柱 ５ 絶縁碍子 ６ 固定ネジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−12973（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−84451（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−84452（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−122037（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−94237（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−189441（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/073 H01J 1/30
Claims (1)
- 【請求項１】 軸方位が＜１００＞方位のタングステン
単結晶ニードルの表面にジルコニウムと酸素からなる被
覆層を設けた熱電界放射陰極とサプレッサー電極からな
る熱電界放射電子銃において、該サプレッサー電極が水
素含有量が６０ｐｐｍ以下のチタン又はチタンを主成分
とする合金からなることを特徴とする熱電界放射電子
銃。
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| JP14811594A JP3264775B2 (ja) | 1994-06-29 | 1994-06-29 | 熱電界放射電子銃 |
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1995
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