JPS62140332A - 電界放射陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、走査形電子顕微鏡などの高輝度電子線源であ
る電界放射陰極、特に電流変動の小さい、高安定な電界
放射陰極が得られる電界放射陰極に関する。

〔発明の背景〕

従来、電界放射陰極どして最も多く使用されてきた物質
はタングステン単結晶であるが、用いる真空雰囲気、引
き出す電界放射電流、さらには経時変化によって、電流
変動が大きくなり安定な電子に放射ができない欠点があ
った。これらの電流変動を小さくする電界放射陰極とし
て特公昭５５−３７０６０に記載されているようなガラ
ス状炭素から形成されたものがある。その特徴として■
電流値が小さく真空度の良い（圧力が小さい）場合、そ
の電流変動は全く現れず、言い換えると周波数特性をも
たない。■真空度の悪い（圧力の大きい）場合でも放電
することなく電界放射状態を保つ。

しかし、上記の従来例では反面で真空度の悪い場合、あ
るいは、これと等価な真空度が良くでも電界放射電流が
大きい場合に比較的大きな電流変動が生ずるという欠点
を有していた。その大部分の原因は、真空雰囲気中の残
留ガス分子を電界放射電子が励起してイオン化し、この
時化ずる正イオンが電界に沿って電子とは全く逆に陰極
に衝突することに起因している。すなわち、加速された
イオンの衝突によって陰極の表面は極端な場合、スパッ
ターされ凹凸のある表面構造を呈することになる。この
ような陰極表面から放射される電界放射電子は当然表面
形状に対応した分布すなわち、電流密度分布を・（−）
つため、陰極表面の限られた微小な領域から放射されろ
電子を用いろ実用装置では、その領域でＡ夜ｉこる表面
形状の変化が電流値の経時変化として現れる。

〔発明の「Ｉ的〕

本発明の１−１的は、−１−記経時変化の割合を小さく
して、長時間に亘り電７Ｉｌａ　ｇｙ　！Ｉ！Ｉｔの現
れない電界放射陰極を［、Ｉ、供することにＡろ。

〔発明の概要〕

電界放射陰極材料としての適性については、特公昭５５
　３７０６０に詳述されているように、炭素材料が優れ
ている。炭素材料の中でも電界放射陰極の具体的形状で
あるΦ１状の陰極を形成するなどの点でガラス状炭素が
適していた。しかるに、−上記したように、電界放射電
流が残留ガス分子を励起してできる１１：、イオンのや
１状陰極への衝突によって起こるスパッターに、１：つ
てΦ１１状陰極面の形状が変化することが問題であった
。発明者等の検討に（：１） よればアルゴンイオンビームを用いた実測の結果、同じ
炭素材料があってもガラス状炭素のイオンエツチング率
は、ダイアモンドのそれのおよそ１０倍であることが判
明した。すなわち、ダイアモンドが導電性であるならば
、前記イオンのスパッターによってうける陰極表面の形
状変化の程度は、おおよそ１　／　１．０にできる筈で
ある。

第１図は、電界放射電流を測定するための基本的な構成
を示す。針状陰極１および蛍光板を兼ねる陽極２との間
に電源５によって電圧を印加し、全放射電流を電流計又
は記録計６で、微小孔４を通過する局所電流をファラデ
ーカップ３で捕集し電流計又は記録計７で測定する。全
放射電流の放射半角βは、陰極先端の形状に依存し、微
小孔の開口半角βは、実用装置で用いる程度（１０−２
〜１Ｏ−８ｒｅｄ）である。

第１図で針状陰極］がガラス状炭素であるときの電界放
射電流の測定例を第２図に示す。真空度２　Ｘ　］、　
０−９Ｔｏｒｒにおける実験を示し局所電流は、β〜１
　ｍｒａｄのときの測定値である。９０時間にわたる連
続動作に対して局所電流に現れるパルス状の電流変動は
１回である。これに対して全放射電流に現れるパルス状
ないしは階段状変動の頻度は８回である。すでに述べた
ように実用装置では局所電流の安定性が問われるわけで
あるから、第２図（イ）のようにおよそ１００時間に１
回の変動のみならば充分に実用となる。しかし、１００
０時間では１０回現れることとなり、局所電流値のレベ
ルまでも変化する状態が起る。これらの実験結果から、
全放射電流と真空圧力の積が一上記パルス状ないし階段
状電流変動の頻度として厳密に表されることが判ってい
る。すなわち、イオンが針状陰極に衝突する頻度と電流
変動の頻度が比例関係にあることを示している。

針状陰極の材料として、イオンエツチング率がガラス状
炭素より１０倍大きいダイアモンドを使用することがで
きれば、第２図の変動の頻度は、およそ１／１０にする
ことができる。ダイアモンドを導電性にすることは不可
能であるが、その表面の硬度を失うことなく、表面のみ
に導電性を与えることは可能である。

１．００〜２００ｋＶのＡｒイオンを１Ｑ１１５〜１０
１７ケ／ｄの密度でダイアモンドに注入し、アニールす
ることによってダイアモンドの１　ｔ　：ｉ、　ｐあた
り１．　ＯＯΩ程度の表面抵抗を与えることができる。

ダイアモンドチップを充分に保持することができれば、
上記抵抗値は電界放射現象にとって特に障害とはならな
い。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第３図により説明する。同図
（イ）に示す支持および加熱用の炭素材料からなる逆Ｖ
字型フィラメント９に先端を研磨したダイアモンド針状
陰極８を、同図（ロ）に示すようにガラス状炭素を形成
させるためのフェノール系、フラン系等の熱硬化性樹脂
１０で接合し、同図（ハ）に示すように樹脂を硬化させ
た後真空中で加熱して炭化しガラス状炭素１１とする。

上記の工程によって炭素フィラメント９とダイアモンド
針状陰極８は、強固に接合される。次に同図（ニ）に示
すようにフィラメントの両端をカッ−ドベースに取り付
けられた金具１−２を用いて機械的に接続し、このベー
ス全体を図示の矢印のように回転し１００　ｋ　ＶのＡ
ｒイオンビームを照射し、ＩＸｌ、Ｏ’０ケ／Ω１ｌＲ
１度打ち込む。その後、真空中にてフィラメント〇に通
電してダイアモンド針状陰極８が５００℃近傍となるよ
うに加熱してアニールすることによって、フィラメント
９から８の先端に至るまで導電性を与えることができる
。ここで同図（ホ）は同図（ロ）の」二面図である。

本針状陰極の電界放射特性としては、第２図に相当する
８１１Ｉ定を行って、局所電流に現われる電流変動の頻
度をおよそ１／１０とすることができた。

すなわち、数Ｉｔ　Ａの全放射電流で動作させるとき、
局所電流に現れる電流変動は、およそ１．ＯＯ０時間に
、１−回だけである。

尚、本実施例において打ち込むイオンとしては、Ａｒの
ようなガスイオンばかりでなくＴｉのような金属イオン
であっても効果は同等である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電界放射電流の電流変動は、■パルス
状ないし階段状の変動のみで、他の周波数特性を示さな
い、すなわち全く雑音成分を含まない、事と■」ニスし
たパルス状ないし階段状変動の頻度を極めて小さく、（
従来のガラス状炭素の場合の１．　／　１０　）できる
ので長時間安定に使用できる、効果がある。

尚、本発明は、走査形電子顕微鏡のように、電子ビーム
を微細に収束することが主目的である装置に対して、■
電子ビーム電流値は小さくても高輝度が必要であり、且
つ電流変動が小さい、■加熱して使用しないためエネル
ギー幅が小さい、という特徴を有し、好適なものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電界放射電流の測定条件を示す略図。 第２図は、従来例における電界放射電流の測定例を示す
図、第３図は本発明の一実施例になる電解放射陰極の立
面図および上面図である。 ８・・・ダイアモンド針状陰極、９・・・炭素フィラメ
ント、１．０・・・熱硬化性樹脂、１１・・・ガラス状
炭素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、イオンを打ち込んで表面を導電性にしたダイアモン
   ド針状陰極を用いたことを特徴とする電界放射陰極。 ２、ダイアモンド針状陰極が、支持フィラメントとガラ
   ス状炭素で接合されたことを特徴とする第１項記載の電
   界放射陰極。 ３、支持フィラメントが炭素材料からなることを特徴と
   する第２項記載の電界放射陰極。