JPS585496B2 - 安定な熱電界放出陰極を再生可能に製造する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に電界放出陰極、特に〔１００〕方位の熱
電界放出陰極及びその製造、使用方法に関する。

安定な高電流密度を有する細く集束された電子ビームを
放射できる電子源に対する要求は走査型電子顕微鏡、電
子顕微鏡、集積回路マスク製造、及び電子ビームアクセ
ス式計算機記憶装置のような広範囲な用途及び改良と共
に増大しつゝある。

その結果、電界放出陰極は新たな関心をもたれている。

なぜなら熱陰極よりも大きな最大電流密度が達成しうる
からである。

また電界放出陰極の仮想電子源は広範な附加的縮少又は
集束装置の必要なしに電子ビームをより小さなスポット
寸法になし得るほど小さい。

しかしながら従来電界放出陰極は実際の真空状態下でそ
の陰極の不安定さと限られた寿命のため実際には使用さ
れていない。

商用の実用真空状態下で、室温において動作する電界放
出陰極には望ましくない高フリッカ−雑音がある。

比較的低い真空度における陰極の寿命を増大させるため
並に電流密度及び放出電子ビームの他の特性を理論的に
増大させるために、加熱電界放出陰極に関心が寄せられ
ている。

従来の周知技術によれば熱電界放出陰極の動作を増大さ
せるためには陰極片をより良好な放出形状、即ち非常に
鋭い点に形成させるため電界力を以て表面張力をバラン
スさせる能力を要する。

しかし検討の結果、この方法で熱電界放出陰極が作られ
動作されると恒常的に生じる望ましくない事故があるこ
とが明らかとなった。

もし電界がバランス値を越えて増大すると、幾らかの電
子放出が得られるだけである。

しかし、この値が超過すると、陰極片の形状が時間と共
に不規則に変化して電流変動を生ぜしめる。

これらの陰極形状の変化は微細集束の用途にとってはた
えがたい放射空間分布を急激に変化させる。

従って熱電界陰極は、理論的には種々の利点があるが、
より一層の形状変化に対して、高電流密度の細いビーム
角度の動作が平衡状態に達すると期待できないため、実
際的な用途が殆んどない。

また極端に低い気圧状態を必要とするので、費用がかゝ
す、用途も狭く、周辺装置を用いなければならない。

それにもかゝわらず、更に２つの重要な現象が熱電界動
作の間に発生し、前述した利点に関連して、電子源とし
ての熱電界放出陰極の研究が続行されることとなった。

まず望ましくない電流低減と雑音の原因となる陰極面上
の残存ガスの吸着は熱脱着の結果除去できる。

次に電流密度と空間分布を不安定にさせるイオン衝撃に
よる微細な表面の粗れは、被加熱陰極の表面張力によっ
て直接平滑化されるので阻止できる。

上述した理論的効果に鑑みて、高電流密度を達成するた
め充分に小さい半径の陰極チップを以て安定な熱電界放
出動作を実現することが強く望まれていることは当業者
にとって容易に明らかであろう。

従って本発明の主たる目的は熱電界、上昇電界放出陰極
を製造する方法を確立するにある。

本発明の目的は非常に小さな半径と安定な幾何学的形状
の熱上昇電界放出陰極を提供するにある。

本発明の他の目的は従来技術におけるよりもはるかに低
い真空中で作動する時でさえ、極度に長寿命の陰極を提
供するにある。

本発明の更に他の目的は非常な高電流密度の微細な集束
電子ビームを発生して、しかもこのビームは簡単な静電
界又は磁界レンズ手段によって非常に小さなスポット径
に容易に再集束しうる陰極を提供するにある。

本発明の更に他の目的は軸方向において＜１００＞の方
位のミラー指数を有するタングステン、モリブデン等の
体心立方結晶格子構造の材料からかかる陰極を作る方法
を提供するにある。

本発明の更に他の目的は高温状態下で、前述の目的が信
頼性を以って再生可能に達成される方法を提供するにあ
る。

本発明の他の重要な目的は陰極を厳しい温度状態に管理
する必要なしに、実際的かつ商業的に経済的な真空状態
においてかかる陰極を作りかつくり返し使用するための
方法を提供するにある。

本発明の更に他の目的は直流又はパルス作動の種々の陰
極を使用した装置に関連してかかる陰極を使用する方法
を提供し、かつそれにより安定で長寿命の高電流密度電
子源を提供することによってかかる装置の全動作を改良
するにある。

本発明を実施するに当り、熱電界放出陰極が＜１００＞
方位の単結晶線から作られ、使用される。

即ち単結晶単位セルの立方体面の結晶学的軸整合は前記
線の軸と垂直である。

＜１００＞方位線はミラー指数表示によると、線の長さ
方向に向って（１００）、（０１０）又は（００１）面
を実際には有しうる。

タングステン等の金属のかかる＜１００＞方位線は従来
技術で周知のゾーンメルティング技術によって得られる
。

本発明を充分に理解するためには、タングステンやモリ
ブデンのような体心立方結晶構造のものを特徴づけるた
めに使用されるので、ミラー指数表示の基本的知識が必
要である。

第２図に示す体心立方構造、即ち単一単位セル１が立方
体の角に配置された３、４，５，６，９，１０，１１゜
１２、の８つの原子とその中心に配置された９番目の原
子２からなる９つの原子を有する構造を考える。

ミラー指数表示を行なうため、２つの垂直に配列された
原子の間に引かれた線をＹ軸、その立方体の第１側面に
沿って、水平に配列された原子の間に引かれた線をＹ軸
、水平に配列をされた原子の間に引かれ、Ｙ軸及びＹ軸
の両者に垂直な方向の線をＺ軸とする。

この３つの軸は第２図の実施例では標準原子４に於て交
叉する。

立方体を通過する平面は３つの位数によって規定しうる
。

第１数はＹ軸が交叉する立方体の位置をあられし、第２
数はＹ軸が交叉する立方体の位置をあられし、第３数は
Ｚ軸が交叉する立方体の位置をあられす。

第２図に示す如く、（１００）平面はＹ軸と１の所で交
叉し、その特定分子のＹ軸又はＺ軸のいずれとも決して
交叉しない立方体の１側面を構成する４つの原子を有し
ている。

同様に、（０１０）平面はＹ軸とのみ、（００１）平面
はＺ軸とのみ交叉する。

これらの平面の表示は（１００）、（０１０）及び（０
０１）平面が〔１００〕平面の一族をあられす術語上の
問題にしか過ぎない。

単位セル１を通る多数の平面のいずれか１つは、ミラー
指数によれば３つの基準軸に沿う隣接した原子間の距離
を増加量に分割することによって表示しうる。

従って例えば、原子３は基準原子４を通るＹ軸に沿う（
１）の位置に配置され、この軸には（１）の位置に対し
％及び只の距離だけ離れた（２）及び（３）の位置があ
る。

同様な表示がＹ軸上の原子５とＺ軸上の原子６間の位置
にも適用される。

従って（１１２）平面はＹ軸の原子３、Ｙ軸の原子５及
びＺ軸の原子６と基準原子４間の位置（２）を通る。

この（１１２）平面は従って、一般に線７ａ。

７ｂ及び７ｃによって表示される如く単位セル１を通る
。

他の例として、（３１０）平面は原子３と４間の位置（
３）及び原子５を通るがＺ軸とは決して交わらない。

Ｚ軸に平行なこの平面は線８ａ。８ｂ、８ｃ及び８ｄに
よって表示される。

単位セル１の基本的体心立方結晶構造に対する他の平面
の関係はミラー指数表示を使用して規定しうろことは当
業者に明らかであろう。

電界放出陰極の使用に対する理論的かつ従来からの経験
的検討は、点陰極に対して下記の関係かはゞ成立するこ
とを示している。

Ｅ＝βＶ （１） この式で因子βは陰極の有効チップ半径ｒの５倍のはゾ
逆数で、Ｖは陽極電圧、Ｅは陰極表面での電界強度であ
る。

室温において既知の曲率半径を有する陰極から取出しう
る電流密度は次式から算出される。

Ｊ＝ａＥ２ｅｘｐ［−Ｂφ３／２／Ｅ） （２）こ
こで、Ｊは電流密度（Ａ１５ｍ２）、Ｅはチップに印加
された電界の強さくＶ／ｃｍ）、φはチップ材料の仕事
関係数（ｅｖ）、Ｂは６．８３×１０７（ｅｖ）に等し
い定数、ａはφの関数（φ＝４．５ｅｖのタングステン
に対しａ＝３．５×１Ｏ−７Ａ／Ｖ２）である。

従って、最高可能値を有するであろう最大電流密度はチ
ップの相対的非先鋭度によって制限されることは明らか
である。

即ち、実効チップ半径ｒが小さければ小さいほど、他の
因子が実際値に押えられているかぎり、電流密度は高く
なる。

周知の如〈従来は小面に刻んだ形状の上昇型電界放出陰
極を作るため、タングステン線を電気化学的に最初に研
磨してエッチして第３図に一般的に示す形状とした。

５００Å〜３０００Åの範囲の実効チップ半径は表面張
力の影響下でチップを平滑かつ鈍まずためのフラッシュ
加熱の後に達成される。

かかる焼鈍しの効果は第５図に示されており、同図で文
字「ｒ」は陰極の実効チップ径をあられす。

陰極チップが電界に露出されると、電子放出は陰極の低
仕事関数（高β）領域から開始され、通常陰極頂点を中
心として約６０°の角度内に含まれる。

陰極表面の隆起を開始するために、陰極温度は表面易動
度を確保するために充分な温度まで上昇させなければな
らない。

電界の静電力は表面原子を陰極頂点に向って移動させ陰
極隆起に導く。

表面張力を鈍化する力と静電的隆起方間で平衡が達成さ
れる時の電界の強さは次式で与えられる。

ここでｒは２０００Ｋにあるタングステンで約２９００
（ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）である表面張力である。

Ｅｏにおいて平衡状態が達成されるけれど、４×１０７
Ｖ／ｃｍの最小電界強度は制御電極により限界有効放出
を達成するために必要とされる。

従って、（３）式からｒは約８００Åを越えることがで
きないことになる。

従ってこの方法（即ち第５図の陰極形状を保持する平衡
点で動作させること）は（局部的なｒの大幅な変化を伴
なう）チップの急激な幾何学的変形を起す前に達成でき
る電流密度が最も商業的な用途に於て望ましいか又は有
用であるよりも低い程度の大きさの値に限定されるとい
う点で明確な限界を有する。

また、電界は陰極領域において均一でないため、（３）
式で規定される条件は陰極表面の局部的領域においての
み成立する。

このことは、ここで述べられる＜１００＞隆起モード以
外では一般に不安定な幾何学的状態に導く。

第３図に示す形状に予め処理された電界放出陰極を約４
−２×１０７Ｖ／ｃｍ（即ち平衡値を越えて）の電界を
かけて加熱するとチップでの表面移動により陰極表面の
隆起が生じる。

その後、動作中に、陰極は充分な高真空状態が保持され
るなら室温で安定に動作しうる。

この方法による隆起電界陰極の製造及び室温（その限界
量を含む）での動作方法は「レビュー。

オブ・サイエンティフィック・インスツルメント」３９
巻、５７６−５８３．１９６８年４月の「電界放出源を
使用する電子銃」（Ａ、Ｖ−Ｃｒｅｗ、Ｄ、Ｎ。

Ｅｇｇｅｎｂｅｒｇｅｒ、Ｔ−Ｗａｌｌ、Ｌ、Ｗｅｌｔ
ｅｒ ）と題する論文で扱われている。

「隆起」（Ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）とは、表面移動原子が最
小エネルギー領域に、外部から印加された静電力によっ
て指向された結果、低ミラー指数の平面が横に成長し、
結局大きな結晶平面へと成長する過程を示す技術用語で
ある。

このことは「フィジカル・レビュウー」第１１９巻、第
１号、８５〜９３頁１９６０年７月１日の「高電界下で
のタングステンの表面移動に対する活性エネルギー」（
Ｐ、Ｃ−Ｂｅｔｔｌｅｒ、Ｆ−Ｍ−Ｃｈａｒｂｏｎｎｉ
ｅｒ ）と題する論文を参照するとよく、隆起結晶面化
（ｆａｃ−ｅｔｉｎｇ ）との相関関係を論じている。

チップの隆起と結晶面化の種々な様相はタングステン陰
極においてみとめられる。

隆起は連続的に小さな被着面が陰極チップから外側に延
びる時に生じる。

他の面の結晶面化は隆起した陰極の側面を隆起し続ける
ことを必ず伴なう。

１つの観察された隆起モードは（１１０）及び〔１００
〕面の結晶面化により、〔１１２〕面での光輝放出点を
生ずる。

他の隆起モードは〔３１０〕面からの光輝放出を生じ、
その場合〔１１０〕、〔１１２〕及び〔１１０〕面の結
晶面化は同時に生じる。

しかし他の非常に重要な隆起モードは〔１１０〕（１１
２）及び〔３１０〕面の結晶面化のため〔１１０〕面で
の光輝放出点を生ずることである。

第１次の隆起は陰極軸に沿って生じて〔１００〕面を中
心とするピラミッド形状を形成するので、＜１００＞方
位の線における＜１００＞隆起により実効局部チップ半
径ｒが最大に減少し、ビーム角の制限が強化される。

その他の＜１００＞隆起点は頂点の＜１００＞隆起から
９０°だけ角度的に離れているのでピラミッドの微少チ
ップのみが第１次放出点として機能する。

９０°の頂角によ熱電界の減少は９０°の〈１００〉隆
起点からの電子放出を阻止するのに十分である。

他方、他の隆起端面は陰極の縦軸に充分近接した角度範
囲内に複数の放出点を生じ、全ての点から電子放出を生
ぜしめる。

これにより広角度の放出が生ずる。「ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス」第４０巻、第１２号、４
７４１頁〜４７４９頁、１９６９年１１月「電界電子及
びイオン放出の角度的制限」（Ｌ−Ｗ−８ｗａｎｓｏｎ
、Ｌ−Ｃ−Ｃｒｏｕｓｅｒ ）と題する論文を参照する
ことにより容易に明らかになる如く、従来、強く望まれ
た＜１００＞隆起は偶然的にしか観察されなかった。

しかしながら、＜１００＞方位線からの＜１００＞隆起
を含む電界被隆起端面が、避は難いと考えられた２つの
原因により、熱電界放出の状態下で、平衡状態に達する
とは期待できないと信じられていた。

第一に、陰極チップの形状が時間と共に明らかに不規則
に変化し、局部的チップ半径ｒの変化のため、厳しい電
流密度変動を生ぜしめる。

第二に、陰極形状のこれらの変化により放出空間分布が
急激に変えられるが、このことは如何なる手段によって
でもビームを制限することが必要な微細集束の用途にと
って許容し難いものである。

従来技術の研究と当業者間に一般的な信念に対して本発
明者は非常に小さな実効半径の＜１００＞方位隆起陰極
チップ端面は＜１００＞方位線から信頼性と再現性をも
って製造でき熱電界モードにおいて安定に動作すること
を発見した。

＜１００＞電界隆起が以下に述べる状態および手順で不
意にかつ選択的に生じる理由はまだ全面的に明らかでは
ない。

しかしながら本発明によって＜１００＞隆起を信頼性を
以って達成するには３つの因子が非常に重要である。

第一に、１２００°に以上のチップ温度ではあるがカー
ボンの熱脱着温度以下での動作ではほとんど避は難いほ
んの僅かの炭素汚染が非＜１００＞隆起を生じる〔１０
０〕面の表面自由エネルギーを選択的に低下させるよう
に現われる。

第二に、１９５０°に以下の陰極温度で観察される酸化
表面の存在が現われて、〔１１２〕及び（３１０）面の
上の〔１００〕面における表面自由エネルギーを選択的
に増大させ、＜１００＞隆起を促進する。

第３に、βが大きいチップの小領域に関して電界が局限
される度合が高いので、更に変形せしめるに充分な隆起
電界を経験していない表面の他の領域を有する陰極表面
上の１点において平衡状態（例えば（３）式）を満足せ
しめる。

本発明の基本概念は第１図の簡単化したフローチャート
を参照することにより予備的に把握されうる。

第４図の陰極ヘアピン構体が前述した周知技術により作
られる。

第４図に示すヘアピン構体２０はタングステンから作り
得、そして第３図の拡大図で示すチップとして終端する
＜１００＞方位タングステン陰極線２１を含む。

このヘアピン構体は不完全に排気された室に設けられ、
カーボの揮発性酸化物を含む汚染を脱着するに充分なほ
ど加熱される。

しかしながら薄い残存タングステン酸化物層が熱的に除
去される温度を越えないように注意する。

陰極構体をチップでの表面移動を許容するに充分に加熱
しておく一方、この段階で好ましいモードである＜１０
０＞隆起を開始するために比較的強い電界が印加される
。

なぜなら〔１００〕面の実効表面自由エネルギーは上昇
するが、〔１１０〕。

〔１１２〕及び〔３１０〕の実効表面自由エネルギーは
低下するからである。

従って〔１００〕面はむしろ隆起し、〔１１０〕、〔１
１２〕及び（３１０）面はむしろ結晶面化する。

第６図は本発明により形成された陰極チップを示す。

その線の軸に沿った矢は＜１００＞方向を示し、一方そ
の線の軸に直角な他の矢は＜０１０＞方向を示す。

所定時間において陰極チップの頂点５３は決して完全な
点にはならないが、それとはほんのわずか異なる形状と
なる。

結晶化された〔１１０〕面５０は、その線の頂点５３か
ら除去されその線の側面のまわりに９０°だけへだたっ
た４つの９０°〔０１０〕隆起面に除々に併合する。

これらの（０１０）隆起面は、電界に対して９０゜の軸
方向に設けられているので、その線の側面での胴部より
もほんの少し大きい。

第７図は第６図の面７−７上に位置する陰極チップのそ
の部分の理想図である。

＜１００＞方向を指示する頂点５３を有する一般に四面
体の陰極チップは（１１０）の結晶面化の結果、４つの
斜面（例えば５０，５１）が形成され、基板５２は（１
００）面７−７によって規定される。

隆起処理につれて、チップ端５３はより小さくなり、実
効局部チップ径ｒはそれに対応して減少する。

その結果、電流密度及び全電流は（２）式に従つて増加
するのが観察される。

その隆起が進行するとき、破局的な真空アークが生じる
値以下に全電流を保持するように電界の強さを下方に向
う如く調整することが必要である。

電流を安定化すると、微小点に対する＜１００＞隆起が
達せられ、陰極構体は動作準備状態となる。

上記は本発明が指向する簡単な記載にすぎない。

当業者に実施例を充分に教えるために下記のより詳細な
議論が第９図の詳細なフローチャート及び実際の動作環
境として走査型電子顕微鏡を示す第８図の概略図を引用
して検討される。

前述したように＜１００＞方位線から＜１００＞隆起熱
電界陰極を形成する第１段階は陰極２１のチップ２２を
適当な従来技術によって第３図に示す形状に形成するこ
とである。

この段階は前述した電気化学的処理によって効果的に実
行しうる。

第４図において、＜１００＞方位タングステン線陰極２
１は直径が０．００７５ｃｍ乃至０．０２５４α程度と
なり、０．０２５４ｃｍ程度の直径のタングステン・ヘ
アピン支持構体２０に、スポット又は電子ビーム溶接に
より取付けられる。

第８図に示す如く、全陰極構体３２は室３０を備えた管
の内に設けられており、その室３０はこの内部と連絡し
ている真空ポンプ３１によって１０−８トリチエリの程
度まで排気される。

陰極構体３２の温度はそれから不純物を排気しかつ第５
図に示す如く陰極表面を平滑にするのに充分なほど上昇
される。

このことは直流（又は交流）電源３５からの電流パルス
をタングステンヘアピン２０に流して、陰極構体３２を
数回の短期の温度フラッシュの間１７００°Ｋから１９
００°にの間の温度にすることによって達成される。

陰極構体３２が上昇せしめられる温度は電流制限抵抗３
４を調節することによって容易に制御しうる。

この段階の目的は、当初の周囲気体中において自由酸素
がある間の、必然的な露出の結果、陰極上に残る薄い残
存酸化物層を除いて陰極チップ２２（第３図）から全て
の汚染を除去するにある。

表面領域にある炭素は表面に拡散し、初期酸化物層又は
室３０内にある酸素と結合して炭素酸化物、特に一酸化
炭素を形成する。

炭素酸化物は陰極構体３２の温度に応じである割合で熱
的に脱着され、より急速な脱着はその構体をより高い温
度に加熱することによって達成される。

しかしながら、この及びこれに続く段階の間、陰極構体
３２上に加えられる温度の上限は下記に述べる。

第６図に示す如く、チップ２２の端面状はますます可動
的に加熱される陰極構体３２に働く表面張力により実効
半径ｒの半球形となる。

もし充分な炭素汚染が＜１００＞方位タングステン線に
あられれるなら、少量の酸素を室３０に導入し、その酸
素によってその表面とバルク・カーボンとの完全な結合
を達成するため１３００°にと１５００°にの間の温度
に陰極を加熱することが必要である。

もし高純度タングステン線が使用されるなら、原材料に
存在する酸素は純化過程を実行するのに通常適当である
。

一般に、炭素と結合しそれによって揮発性酸化物を形成
するために、被脱着要素形態又はタングステン酸化物の
形において存在する充分な量の酸素がある。

炭素又は２５００°に以上の温度に加熱することによっ
て表面から直接熱的に脱着しうる。

しかしこれは、多くの場合望ましくない陰極のかなりな
純化を生せしめる。

この後者のことはより精巧な装置を要する小分圧酸素を
導入する次の工程を必要とし、市販の装置の基本的価格
を増大させる。

チップの完全な脱ガスを行なうため陰極構体３２は前述
した範囲で高温度に数度フラッシュ加熱されるが、その
温度は１９５０°に程度の温度を越えてはならない。

特に、通常はチップ２２を含む陰極構体３２を被覆して
いるタングステン酸化物の非常に薄い残存層がきれいな
タングステンチップを残して完全に除去される特定の環
境におけるその温度を越えるべきではない。

もとめられたチップ状態は全ての除去されたカーボン汚
染物及び残存する薄いタングステン酸化物残存層と共に
ある。

陰極チップ２２とその近傍の陽極３６間に電圧を印加す
ることによって、チップ２２の電界隆起が生ぜしめうる
。

陰極は、タングステン酸化物層が除去される前述した温
度上限を越えることなく表面易動度を確保するために充
分な熱を（１４００’に〜１８００°Ｋ）に保持しなけ
ればならない。

電界は平衡値が越えられ、それによって安定かつ予想可
能な隆起が開始されるまで増大される。

隆起過程の最初の初期電流は通例約２０μＡである。

全電流はしばらくの間一定で、その後急速に時間と共に
増大し、＜１００＞隆起を示す。

隆起の生じた後で、陰極−陽極間電圧、従って電界を平
衡をとって減少させることによって最大電流を５０〜１
００μＡの範囲に限定する事が望ましい。

全電流を安定化させることにより隆起が完了して第６図
に示す如く、非常に細く軸方向に整合した陰極チップ５
３が得られる。

第８図の走査型電子顕微鏡のような実際の用途において
、完全な隆起により、高品質の像伝送が行なわれる。

一般に、小開口の像伝送は最良の（１００）隆起を示し
ている。

同様にチップの変形は像伝送の低減を示す。上述した電
界隆起方法の目的は第６図及び第７図に示したピラミッ
ド型構造を達成するにある。

タングステン＜１００＞隆起を得るに当り、（１００）
、（１１２）及び〔３１０〕面は第７図に一般的に示す
結晶面５０及び５１のような大きな結晶面を形成する。

第６図に示す部分的隆起〔０１０〕面は主電界から９０
°移転しているので重要な電子放出は行なわず、縦方向
の電子放出のほとんど全部はチップ頂点５３からであり
、狭い角度に限定される。

第６図及び第１図に示す隆起端面形状を達成することに
より、陰極は１０−７〜１０−８トリチエリの気圧下で
、１〜３００μＡの全電流範囲で１２００°に〜１７０
０°にの温度範囲において、非常に長時間動作できる。

もし気圧が１０−９トリチエリの範囲であれば低温度範
囲は信頼性をもって使用できる。

室温を含む低温度においてさえ、短期間の動作は実現で
き、有効期間の長さは陰極に対する周囲気圧に逆比例的
である。

当業者に理解されるように、集束ビームの最小スポット
径に対する制限は主としてエネルギー分布に関連した色
収差係数による。

エネルギー分布の広さは温度と共に増大するので、短期
間かかる低温度で動作させることが望ましい。

陰極が高真空中で約２０００°に以上に加熱されると、
酸化物層が除去される。

前述した処理が続いて行なわれると、全ての炭素汚染を
除去したきれいな陰極は確率の法則によりかつ種々の平
面で形成される表面自由エネルギ一群の関数として＜１
００＞隆起を生じている。

しかしながらかかる状態での＜１００＞隆起は予想でき
ず、もし炭素が存在すれば、勿輪生じない。

低温での動作中又は高過ぎる温度での不注意な動作中に
、陰極の放出特性は劣化する。

１６００°にから１７００°にの温度範囲で１５から３
０秒間電界を減少させ、それから１０から２０μＡの全
電流を引出すのに充分な電圧を印加することによって元
のチップ状態が復帰できることがわかった。

陰極が動作している周囲は勿論、酸化物層を回復するに
充分な酸素を含み、バルク又は炭素質吸着体からの表面
炭素汚染が除去されているべきである。

電流の再安定化はチップの回復を示している。再び第８
図に示した走査型電子顕微鏡において、陰極構体３２か
ら放出する狭いビーム４０は単一静電（電磁）レンズ４
２によって接地された試料４１に集束される。

陰極構体３２、陽極３６、レンズ４２及び被接地試料４
１は電源３３，３８゜及び４４により順次高い電位（−
１０，０００Ｖ。

−８，０００Ｖ、−８００Ｖ及び０Ｖ）に保持される。

表示管４６の掃引発信器４５は偏向装置４７に接続され
、検出器４８による検出と管４６の表示のために、ビー
ム４０で試料を走査する。

かかる実施例で、もしチップが不意に破壊されるか、（
１００）隆起端面が劣化すると、その装置から除去せず
に上述した処理により再生しうる。

第８図の走査型電子顕微鏡がオフされると、陰極温度は
減少し隆起形状を凍結し、それから陰極、陽極電圧がオ
フされる。

電子顕微鏡が再度使用されるとき、電圧が元に戻されて
から陰極が動作温度まで加熱される。

前述した遮断処理が行なわれない場合には、チップ隆起
は矢なわれるが、加熱及び電圧印加の処理過程をくり返
すことによって非常に早く回復しうる。

本発明により形成されたチップの動作期間中に観察され
るもつとも重要な性質の一つは従来の電界放出陰極で可
能と考えられた以上の高い値の気圧において、長期間、
非常な高電流密度で動作する能力がある。

真空及び他の周辺かつ直接関係ある装置を節約しうるの
で、動作ばかりでなく最初の投資においても大変経済的
である。

前述した如く、モリブデンはまた体心立方結晶構造を有
し、その結果若干低温で同じ処理に使用する＜１００＞
方位のモリブデンが得られる。

例えば、モリブデンの表面張力γは１７００°にで２２
００（ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）程度の値を有し、平衡点が（
３）式により得る際の電界強度を変える。

〔１００〕面の仕事関数を高め、〔１００〕、〔１１２
〕及び〔３１０〕面のそれを低下させて、＜１００＞隆
起を優先させるように、薄い残存酸化物層を残して全て
の炭素汚染を除去することが再び基本的に必要である。

タンタルのような他の金属は、本方法を適用しうるとお
もわれる。

しかしながら、高融点、低蒸気圧、比較的高い電気及び
熱伝導度及び高張力のような特性のため、基礎材料とし
ては一般にタングステンが望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を示す一般的フローチャート
、第２図は本発明による電界放出陰極が作られる線の結
晶格子におけるミラー指数と平面を示す体心立方構造の
図、第３図は最初従来技術により作られた後の、本発明
の一つの段階を示す陰極チップの部分拡大図、第４図は
電界放出チップを備えたヘアピン陰極構造図、第５図は
充分に加熱されて表面張力が陰極チップ形状に影響する
ようになった後の第３図に示すチップの図、第６図は本
発明の方法により隆起した後の第５図に示すチップの図
、第７図は面７−７に沿う第６図に示したチップの部分
図、第８図は本発明が実施される一例として示された走
査型電子顕微鏡の概略図、第９図は本発明の実施による
陰極チップの製造及び使用における特定の４段階を示す
詳細フローチャートである。 ２０：タングステンヘアピン、２１：タングステン線エ
ミッタ、２２：チップ、３２：陰極構体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 比較的低い真空環境における高電流密度放出の条件
   下で、安定な長期間動作の可能な熱電界放出陰極を再生
   可能に製造する方法であって、イ 体心立方結晶構造の
   材料から成るミラー指数〈１００〉方位金属線の一端に
   おいてほぼ円錐形のチップを形成すること、 口 揮発性酸化物としての炭素を含む表面汚染物の脱着
   を生ずるのに充分であるが、上記金属線のほぼ全残存表
   面酸化物が脱着される第２温度を越えない第１温度まで
   、不完全に排気された容器中において上記金属線を加熱
   すること、ハ 上記第２温度より低いが上記線チップに
   おける表面移動度を確保するのに充分高い第３温度まで
   で、不完全に排気された容器において上記金属線を加熱
   すること、 二 〔１００〕面の隆起及び〔１１０〕及び（１１２）
   面の対応する結晶面化を開始するのに充分な大きさの電
   界を生ずるため充分な電位を上記線チップと隣接電極間
   に印加すること から成り、上記工程ハ及び二は同時に実施され、軸方向
   に配列されたほぼ四面体の端面形状を備えた安定な熱電
   界放出陰極が形成され、上記端面形状の頂点は比較的小
   さな実効曲率半径を有することを特徴とする熱電界陰極
   を再生可能に製造する方法。