JPS6016060B2 - Cathode manufacturing method - Google Patents

Cathode manufacturing method

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JPS6016060B2
JPS6016060B2 JP56177198A JP17719881A JPS6016060B2 JP S6016060 B2 JPS6016060 B2 JP S6016060B2 JP 56177198 A JP56177198 A JP 56177198A JP 17719881 A JP17719881 A JP 17719881A JP S6016060 B2 JPS6016060 B2 JP S6016060B2
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JP
Japan
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cathode
filament
carbon
support
resin
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JP56177198A
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JPS57107533A (en
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正昭 二本
潮 川辺
禎治 勝田
彰 外村
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J1/00Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02Main electrodes
    • H01J1/13Solid thermionic cathodes
    • H01J1/15Cathodes heated directly by an electric current

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子顕微鏡や電子線描画装置等の電子ビーム
応用機器において有用な電子放射陰極の製造方法に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method of manufacturing an electron emitting cathode useful in electron beam application equipment such as an electron microscope and an electron beam lithography apparatus.

希士類金属の棚化物は優れた電子放射材料であり、電子
ビームを応用した理化学機器の分野で従来のタングステ
ンを用いた電子放射陰極にとって代りつつある。
Rare metal shelving materials are excellent electron-emitting materials, and are replacing conventional tungsten-based electron-emitting cathodes in the field of physical and chemical equipment that uses electron beams.

例えば、六棚化ランタン(La&)はタングステンより
も輝度の高い熱電子放射型陰極材料として走査型電子顕
微鏡、電子線描画装置の電子線源として用いられ始めて
いる。
For example, six-shelf lanthanum (La&) has begun to be used as a thermionic emission cathode material with higher brightness than tungsten as an electron beam source for scanning electron microscopes and electron beam lithography devices.

仏B6などの棚化物は金属との反応性が大きいため、棚
化物を高温に加熱するフィラメント材料としては、一般
に炭素が用いれている。電子ビーム応用機器の電子放射
陰極は、陰極の取りつけあるいは交換を容易に行なうた
め、一般に第1図に示すように、絶縁物1から2本の金
属性支持体2が突き出た構造のステムに陰極材料3とフ
ィラメント4が固定された構造から成っている。
Since shelved materials such as Buddha B6 have high reactivity with metals, carbon is generally used as a filament material for heating the shelved materials to high temperatures. The electron emitting cathode of electron beam application equipment is generally mounted on a stem with two metal supports 2 protruding from an insulator 1, as shown in Fig. 1, in order to facilitate the installation or replacement of the cathode. It consists of a structure in which material 3 and filament 4 are fixed.

炭素をフィラメント材に用いた陰極の場合、炭素を金属
性支持体に直接溶接することができないため、種々の工
夫がなされている。例えば、第2図に示すように、‘a
}金属性支持体のバネ力を使ってフィラメントを左右か
ら押えつける方法、‘b’ネジでフィラメントを固定す
る方法、あるいは‘c}金属性バンドで縛る方法等が報
告されている。しかし、この様に機械的な力でフィラメ
ントを固定する方法では、フィラメントを通電加熱して
繰り返し加熱冷却を行なうと、固定部がゆるんでしまい
、このためフィラメントと金属性支持体の電気的接合も
不完全になり、通電電流が安定に流れなくなるという障
害が発生していた。フィラメントに流れる電流が不安定
になると、陰極材料の加熱温度が変動し、安定な電子ビ
ームを得ることができなくなる。従来、炭素フィラメン
トの固定法が完全でなかったため、陰極の信頼性、寿命
の低下等の実用上の障害が発生していた。本発明は、こ
れらの点に鑑みてなされたものであり、その目的は炭素
フィラメントと支持体の接合が完全な、信頼性の高い陰
極の製造方法を提供することである。
In the case of a cathode using carbon as a filament material, various measures have been taken because carbon cannot be directly welded to a metal support. For example, as shown in Figure 2, 'a
}A method of pressing down the filament from the left and right sides using the spring force of a metal support, a method of fixing the filament with a 'b' screw, and a method of tying the filament with a metal band have been reported. However, with this method of fixing the filament using mechanical force, if the filament is heated with electricity and repeatedly heated and cooled, the fixing part loosens, and the electrical connection between the filament and the metal support becomes weak. This caused a problem in which the current could no longer flow stably. If the current flowing through the filament becomes unstable, the heating temperature of the cathode material fluctuates, making it impossible to obtain a stable electron beam. Conventionally, the method of fixing the carbon filament was not perfect, resulting in practical problems such as reduction in reliability and life of the cathode. The present invention has been made in view of these points, and its purpose is to provide a method for manufacturing a highly reliable cathode in which the carbon filament and the support are completely bonded.

本発明の陰極の製造方法の特徴は、フィラメントと支持
体の原村として熱硬化性樹脂を使用し、フィラメント原
材の所定の位置に陰極材料を固定した後「非酸化性雰囲
気で加熱炭化し、フィラメントと支持体が炭素から成る
一体構造とし、支持体の一部を絶縁物で固定するところ
にある。
The method for producing a cathode of the present invention is characterized by using a thermosetting resin as the material for the filament and support, fixing the cathode material in a predetermined position on the filament raw material, and then heating and carbonizing it in a non-oxidizing atmosphere. The filament and support have an integral structure made of carbon, and a portion of the support is fixed with an insulator.

樹脂製のフィラメントに陰極材料を固定し、炭化するこ
とにより、炭素フィラメントに陰極材料を強固に取り付
ける方法に関しては、本件の発明者等が先に提出した特
許願(電子放射陰極の製造方法、昭和52王4月18日
出願)に詳述してある。本発明においては、フィラメン
トと陰極材料を強固に取りつけることに加えて、フィラ
メントとそれを固定する支持体の接続を完全なものとす
ることを目的としている。本発明により、絶縁物−支持
体ーフィラメント−陰極材料から成る一つの完全な陰極
を製造でき「 しかもこの陰極は、陰極材料とフィラメ
ント、フィラメントと支持体の接合が機械的にも電気的
にも完全でありトさらに電子線応用機器への着脱が従来
のタングステン陰極の場合と同様な容易さで行なうこと
ができる。このため、優れた陰極材料であるLaB6等
の剛化物の特徴を有効に生かすことができ、電子線応用
機器の性能および信頼性を大幅に向上させることができ
るものである。以下、本発明を実施例を参照して詳細に
説明する。
Regarding a method for firmly attaching a cathode material to a carbon filament by fixing the cathode material to a resin filament and carbonizing it, the inventors of this case previously submitted a patent application (Method for manufacturing an electron emitting cathode, Showa 52 King, filed on April 18). In addition to firmly attaching the filament and the cathode material, the present invention aims to perfect the connection between the filament and the support that fixes it. According to the present invention, it is possible to manufacture a complete cathode consisting of an insulator, a support, a filament, and a cathode material. Furthermore, it can be attached to and detached from electron beam application equipment with the same ease as conventional tungsten cathodes.This makes it possible to effectively utilize the characteristics of rigid materials such as LaB6, which is an excellent cathode material. The present invention will be described in detail below with reference to Examples.

実施例 1 フルフリルアルコールに0.頚重量パーセントのPート
ルェン。
Example 1 0.0% to furfuryl alcohol. Cervical weight percent P-toluene.

スルホン酸エチルを触媒として添加し重合硬化させ樹脂
塊を作製した。この樹脂魂から、幅0.8柳、厚さ0.
4肋、長さ10欄の長方形状の板と断面が3触角で長さ
3仇帆の角柱を切り出した。ついで、長方形状の板の中
央部に0.15仰角で長さ4脚のLaB6単結晶を、接
合剤として未硬化の上記樹脂に&C粉末を加えたものを
用いて取りつけた。さらに、長方形状の板の両端を、第
3図aに示すように樹脂製の角柱に接合剤として未硬化
の上記樹脂を用いて取りつけた。接合部を完全に硬化さ
せた後、これを平底のグラフアィトボ−トに入れ、グラ
フアイトブロックで押えつけながら、真空中で1℃′m
inの速度で1000℃まで、ついで10qC′min
の速度で1600℃まで加熱し炭化した。グラフアィト
ブロツクで押えつけながら加熱したのは、樹脂が炭化に
際して変形するのを防止するためである。また、炭化に
伴って約20%長さが等方的に収縮した。ついで、炭化
した角柱の中央部にセラミック製の絶縁物を取りつけ接
合した。
Ethyl sulfonate was added as a catalyst to polymerize and harden to produce a resin mass. From this resin soul, width 0.8 willow, thickness 0.
I cut out a rectangular plate with 4 ribs and 10 columns in length, and a prism with a cross section of 3 antennae and 3 ribs in length. Next, a four-legged LaB6 single crystal was attached to the center of the rectangular plate at an elevation angle of 0.15 using a mixture of uncured resin and &C powder as a bonding agent. Furthermore, both ends of the rectangular plate were attached to resin prisms using the uncured resin as a bonding agent, as shown in FIG. 3a. After completely curing the joint, place it in a flat-bottomed graphite boat and hold it down with a graphite block at 1℃'m in vacuum.
up to 1000°C at a rate of in, then 10qC'min
The mixture was heated to 1,600°C at a rate of 1,600°C to carbonize it. The reason why the resin was heated while being pressed down with a graphite block was to prevent the resin from deforming during carbonization. Further, the length was isotropically shrunk by about 20% due to carbonization. Next, a ceramic insulator was attached to the center of the carbonized prism and bonded.

La&単結晶を25重量パーセントの硝酸水溶液中で電
解研摩して針状に加工し、第3図bに示すような陰極を
製造した。第3図bにおいて、5はLaB6単結晶、6
は炭素フィラメント、7は炭素製の支持体、8はセラミ
ック製の絶縁物である。La弦熱電子放射陰極の動作温
度範囲は、1500〜1650q○であるが、この温度
に加熱するのに必要な電力は10〜15ワット程度であ
った。
The La & single crystal was electrolytically polished in a 25 weight percent nitric acid aqueous solution to form a needle shape, thereby producing a cathode as shown in FIG. 3b. In Figure 3b, 5 is a LaB6 single crystal, 6
7 is a carbon filament, 7 is a carbon support, and 8 is a ceramic insulator. The operating temperature range of the La-string thermionic emission cathode is 1500 to 1650 q○, but the power required to heat it to this temperature was about 10 to 15 watts.

この陰極は電子線描画装置の電子線源として使用したと
ころ「200時間以上安定に動作させることができた。
実施例 2 フェノール系樹脂を原料に用いて、第4図aに示すよう
なヘアピン状の支持体およびフィラメント原材を作製し
た。
When this cathode was used as an electron beam source in an electron beam lithography system, it was able to operate stably for over 200 hours.
Example 2 Using a phenolic resin as a raw material, a hairpin-shaped support and a filament raw material as shown in FIG. 4a were produced.

フィラメント原材に相当するヘアピン状の樹脂の先端付
近は厚さ0.4伽ト幅0.8側の板状になっており、先
端には0.12仰角の穴が設けてある。また、支持体原
村に相当するヘアピン状樹脂の側面および下部は、3側
めの丸棒状である。ヘアピン状の樹脂先端に設けた穴に
、太さ0.1仰角、長さ3柵の<001>方位のLa&
単結晶を「接合剤に未硬化のフェノール樹脂にLa弦粉
末を混合したものを用いて固定した。
The hairpin-shaped resin corresponding to the filament raw material has a plate shape with a thickness of 0.4 and a width of 0.8 around the tip, and a hole with an elevation angle of 0.12 is provided at the tip. Further, the side and lower portions of the hairpin-shaped resin corresponding to the support material are in the shape of a round rod on the third side. La &
The single crystal was fixed using a mixture of uncured phenol resin and La string powder as a bonding agent.

固定部を加熱して硬化工せた後、実施例1と同様な方法
で炭化した。ついで、内部に2箇の丸穴をあげたセラミ
ックの円板を炭化したヘアピン状の支持体の下部からさ
し込みト接合剤で両者を固定した。LaB単結晶を電解
研摩で針状に加工し、第4図bに示すような陰極を製造
した。以上の実施例で明らかなように、本発明は陰極を
簡単なプロセスで製造することができる。
After the fixed part was heated and hardened, it was carbonized in the same manner as in Example 1. Next, a ceramic disc with two round holes inside was inserted into the bottom of the carbonized hairpin-shaped support and the two were fixed together using a bonding agent. A LaB single crystal was processed into a needle shape by electrolytic polishing to produce a cathode as shown in FIG. 4b. As is clear from the above examples, the present invention allows the cathode to be manufactured by a simple process.

製造方法が容易なことに加えて、本発明により製造され
た陰極には幾つかの特徴があるが、その主なものを列挙
すると以下の通りである。‘11 フィラメントと支持
体が一体構造であるので電気的、機械的接合が完全であ
る。
In addition to being easy to manufacture, the cathode manufactured by the present invention has several characteristics, the main ones of which are listed below. '11 Since the filament and the support have an integral structure, the electrical and mechanical connections are perfect.

【21樹脂を炭化して得られる炭素はガラス状炭素であ
るが、この材料は熱伝導率が極めて小さいので、フィラ
メントを通電加熱したとき支持体を伝って逃げる熱量が
小さくなり、フィラメントの加熱を有効に行なうことが
できる。
[21 The carbon obtained by carbonizing resin is glassy carbon, but this material has extremely low thermal conductivity, so when the filament is heated with electricity, the amount of heat that escapes through the support is small, making it difficult to heat the filament. It can be done effectively.

【3’支持体材料のガラス状炭素は硬くて摩耗し難く、
強度も大きいので、電子線応用機器への陰極の脱着を従
来のタングステン陰極(支持体が金属性)と同様な容易
さで行なうことができる。
[3' The glassy carbon of the support material is hard and hard to wear,
Because of its high strength, the cathode can be attached and detached from electron beam application equipment with the same ease as a conventional tungsten cathode (having a metallic support).

本発明により、炭素フィラメントを用いた陰極の最大の
問題点であった支持体への固定法の問題を解決すること
ができ、陰極の信頼性を向上させることができる。
According to the present invention, it is possible to solve the problem of the fixing method to a support, which was the biggest problem with cathodes using carbon filaments, and the reliability of the cathode can be improved.

例えば優れた熱電子放射材料であるLaB6等の棚化物
を陰極材料として有効に活用することができ、電子線応
用機器の性能が向上するという実用上の効果が生れる。
For example, a shelved product such as LaB6, which is an excellent thermionic emission material, can be effectively used as a cathode material, resulting in the practical effect of improving the performance of electron beam application equipment.

【図面の簡単な説明】 第1図は電子ビーム応用機器において一般的に使用され
ている従来の陰極、第2図は炭素をフィラメントに用い
た従来の陰極、第3図および第4図は本発明による実施
例の陰極の製造方法の一過程と作製した陰極の状態を示
す図である。 1・・…・絶縁物、2・・・・・・金属性支持体、3・
・・・・・陰極材料、4・・・・・・フィラメント、5
・・・・・・仏B6単結晶、6…・・・炭素フィラメン
ト、7・・・・・・炭素製の支持体、8・・・・・・セ
ラミック製の絶縁物ステム。 第1図第2図 第3図 第4図
[Brief explanation of the drawings] Figure 1 shows a conventional cathode commonly used in electron beam application equipment, Figure 2 shows a conventional cathode using carbon as a filament, and Figures 3 and 4 show the original cathode. FIG. 3 is a diagram showing a process of a method for manufacturing a cathode according to an embodiment of the invention and the state of the manufactured cathode. 1... Insulator, 2... Metallic support, 3...
...Cathode material, 4...Filament, 5
. . . Buddha B6 single crystal, 6 . . . Carbon filament, 7 . . . Carbon support, 8 . . . Ceramic insulator stem. Figure 1 Figure 2 Figure 3 Figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 非酸化性雰囲気で加熱するとにより炭素となり得る
熱硬化性樹脂でフイラメントとこれを支える2本の支持
体に相当する部分を一体構造として形成し、陰極材料を
上記フイラメントの所定の位置に接合した後、非酸化性
雰囲気中で上記熱硬化性樹脂を加熱炭化し、ついで2本
の支持体を絶縁物で固定して、フイラメントとそれを支
える支持体が一体構造の炭素からなる陰極を形成するこ
とを特徴とする陰極の製造方法。 2 上記陰極材料がLaB_6単結晶である特許請求の
範囲第1項記載の陰極の製造方法。
[Claims] 1. A filament and a portion corresponding to two supports supporting the filament are formed into an integral structure using a thermosetting resin that can be turned into carbon when heated in a non-oxidizing atmosphere, and the cathode material is added to the filament. After bonding in place, the thermosetting resin is heated and carbonized in a non-oxidizing atmosphere, and then the two supports are fixed with an insulator to form a carbon fiber in which the filament and the support supporting it are integrated. A method for producing a cathode, comprising forming a cathode consisting of: 2. The method for manufacturing a cathode according to claim 1, wherein the cathode material is a LaB_6 single crystal.
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