JPS6315693B2 - - Google Patents

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JPS6315693B2
JPS6315693B2 JP16204478A JP16204478A JPS6315693B2 JP S6315693 B2 JPS6315693 B2 JP S6315693B2 JP 16204478 A JP16204478 A JP 16204478A JP 16204478 A JP16204478 A JP 16204478A JP S6315693 B2 JPS6315693 B2 JP S6315693B2
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JP
Japan
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cathode
brightness
crystal
tip
electron beam
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JP16204478A
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English (en)
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JPS5588233A (en
Inventor
Ryuichi Shimizu
Hideo Hiraoka
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Denka Co Ltd
Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
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  • Solid Thermionic Cathode (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は六ホウ化カルシウム(CaB6)型結晶
構造を有する単結晶ホウ化物を陰極チツプに用い
た熱電子放射陰極、特に陰極チツプの先端が特定
の結晶平面を具えたことを特徴とする熱電子放射
陰極に関する。 従来、透過型電子顕微鏡(TEM)走査型電子
顕微鏡(SEM)X線マイクロアナライザ
(EPMA)などの電子線応用機器の電子銃はヘア
ーピン型をしたタングステン(W)熱陰極が用い
られて来た。このような電子線応用機器の電子銃
は最近Wよりも高輝度で高寿命の熱電子陰極の要
求が強い。 一般に、電子陰極の輝度を高くするには(電子
ビームのイメージパターンが同一ならば)仕事関
数の小さい材料を用いた方が有利であるからWよ
り仕事関数の小さいLaB6、YB6、EuB6などの六
硼化物が用いられる。 この中でもよく用いられているのがLaB6陰極
であり、先端の曲率半径10μmあるいはそれ以下
に先端を尖らせた焼結体LaB6陰極チツプ1を熱
分解黒鉛その他の異方性黒鉛材料で支持加熱する
なり、間接的に加熱するなりして用いられ、この
ものはW熱陰極に比べ輝度は10倍、寿命は数10倍
の特性をもつている。この先端の尖つたLaB6
陰極は多結晶体の内部構造を反映して、そのクロ
スオーバーポイント(光源と考えてよい)のイメ
ージは第1図に示すような輝度の異なる多種多様
なスポツトの集まりとなる。なおこの像は陰極チ
ツプ温度を低くするか、ウエーネルトに印加する
バイアス電圧を浅くすると観察される。この多種
多様なスポツトは同一物質においても結晶面によ
つて仕事関数が異なることに起因するもので、
LaB6を例にとれば(100)面は2.86eV、(110)面
は2.68eV、(111)面は3.36eVと測定されている。
(大島氏Journal of Applied Physics Vol.48、
No.9P3925〜3927) このように多種多様なスポツトの集まりからな
るクロスオーバーをもつた電子ビームでは軸調整
をして輝度の高いスポツトを用いたとしても長時
間安定に高輝度を得ることは困難である。そこで
ウエーネルトに印加するバイアス電位を深くし
(高い負電位にする)、電子ビームを絞つて使用す
るのが一般的であるが、その場合はビームの輝度
は中心に近い部分のスポツトの輝度が優位となつ
た平均的な輝度しか得られず、この値は最高輝度
に比べてかなり低いものである。 上記した多結晶体であることに起因する欠点を
解消するために単結晶のLaB6を用いることが提
案されている。一般には<100>を軸方位とし、
その先端の曲率半径が10μmあるいはそれ以下に
尖らせた単結晶熱陰極チツプが用いられる。(例
えば特開昭52−110563)この陰極で電子ビームを
発生させた場合、浅いバイアスでは結晶面に対応
した複数のスポツトを有するクロスオーバー像が
生じ、また高温に加熱して使用するためチツプ先
端の形状は表面原子の再配列あるいは蒸発により
変化してフアセツトを生じるが、その幾可形状及
び結晶面に対応した複数のスポツトからなるクロ
スオーバー像を生じる。第2図に示すように、そ
の輝度はスポツトにより異なり必ずしも中心スポ
ツトの輝度が高い訳ではなく、ほとんどの場合中
心スポツトは現われないかきわめて弱い。 この先端の尖つた単結晶LaB6陰極2からの電
子ビームを有効に利用するためには高輝度をもつ
た周辺のスポツトを機械的にあるいは電子光学的
に傾けて中心にうまくもつて来て使用するか、バ
イアス電圧を深くしてビームを絞つた状態で使用
する方法がとられている。しかし周囲のスポツト
を強制的に中心にもつてくることはビームの安定
性の上からも好ましくなく、またバイアスを深く
しビームを絞つて平均的輝度を用いたのでは高輝
度は得られないから多結晶体を用いた場合と何ら
変らず、この方法では単結晶熱陰極の特性を有効
に活かし得ない。 本発明の目的は、長時間安定な高輝度電子ビー
ムを維持する単結晶硼化物陰極を提供するにあ
る。本発明の他の目的は、電子ビームの中心スポ
ツト部に一様なプラトー特性を有する高輝度スポ
ツトが存在するような熱陰極を提供するにある。 ビームの中心スポツトが高輝度であることは電
子線応用機器の電子源としては必須の要件であ
る。本発明者等は電子ビームの中心に高輝度スポ
ツトを有する電子ビームを実現するため各種硼化
物単結晶を素材として種々実験したところ、先端
の平面なすなわち軸に対し垂直な結晶面をもつた
熱陰極が有効であることを見出した。本発明の代
表的な陰極先端の形状は第3図に斜視図として示
してある。また<100>方位をもつ単結晶陰極か
ら発生するクロスオーバーポイントのイメージを
第4図に示す。 第3図において、2はLaB6単結晶の陰極チツ
プ21は断面方形の基部であつて、その頭部22
は直線状の斜壁を有する円錐台形に形成されてい
る。頭部22の先端面部3は、LaB6単結晶の<
100>、<110>、<111>のうちのいずれか一つの
軸方位を有する結晶面(100)、(110)、(111)か
ら選ばれた特定の結晶面のみから形成されるよう
に切削されている。 なお、陰極頭部は凹又凸に曲面であつてもよい
が平面として形成するのが一層効果があり、その
先端平面部3の直径は所望するセンタースポツト
の輝度等にもよるが10μm〜260μm或はそれ以上
でもよい。 5は陰極基部の対向面部に密着配設された熱分
解黒鉛などの発熱性支持体4は導体支柱6はウエ
ネルト電極である。 上記構成を有する本発明陰極から放射される電
子ビームのイメージパターンは第4図のようであ
つて、中心部に高輝度スポツト7が現出し、その
周辺部に低輝度スポツト8が現われる。なお
(100)方位以外の結晶面からなる陰極も大体同様
の傾向を示す。 結晶学的な幾可形状をもつ本発明陰極からの電
子ビームのクロスオーバーイメージは第4図のよ
うに高輝度をもつた中心スポツトと、それより低
い輝度を持つた周囲のスポツトに分れる。 この特徴的な電子ビームはTEMの電子源とし
てきわめて有効で輝度の高い中心スポツトを選択
して観察資料にあて利用できる。またSEMある
いはEPMA装置では電子ビームを細く絞る必要
があるが、バイアスを深くしてビームを絞つた場
合、高輝度の中心スポツトが優勢となつた平均的
輝度が得られるため従来の先端の尖い針状陰極あ
るいは先端が球面をもつている陰極よりも十分高
い輝度が得られ、SEM、EPMAの電子源として
も使用出来た。 次に放射電流の安定性の面からこの陰極の特徴
を示す。先にも示したように、LaB6熱陰極は通
常1500〜1600℃の高温で使用される。このような
高温ではチツプの表面は原子の移動再配列を起
し、また1500℃で約8×10-6、1600℃で約3×
10-5mm/hrの蒸発を示す。そのため長時間使用し
ていくうちにチツプ先端の形状は変化する。例え
ば曲率半径10μmの単結晶陰極を2×10-6torrの
真空下1600℃で使用してみると、ほんの数時間で
先端は1μm以下の曲率半径に変化する。この先
端形状の変化により電子ビームの中心スポツトが
失われ、放射電流も著しく低下する。これに対し
先端が直径10μm以上に加工されて結晶平面をも
つた本発明陰極の場合は結晶面にそつて原子の再
配列又は蒸発を起すから結晶平面は保たれ、結果
的に放射電流の変動はほとんどない。 以下、本発明を実施例によつて詳しく説明す
る。 実施例 1 LaB6単結晶を高周波加熱によるフローテイン
グゾーン法(帯溶融法)で育成した。<100>を軸
方位とし0.5mm×0.5mm×2.5mmのチツプを切り出
し、一端を円錐角約60゜の円錐形に研摩し更にそ
の先端を直径が10μm、40μm、260μmの平面を
なす円錐台形の陰極を作成した。このような加工
を行なうことによつて先端平面は(100)結晶面
をもつことになる。また比較のために、従来より
使用されている陰極形状である曲率半径10μmを
もつた先端が球面の陰極を作成した。これらの陰
極を熱分解黒鉛で把持し、通電加熱を行ない加速
電圧20KV、陰極温度1580℃におけるクロスオー
バーイメージを観察すると共に各スポツトの輝度
をバイアスを変えて測定した。その結果、第1表
に示すように平面陰極は高輝度のセンタースポツ
トを観察し、バイアスを深くした場合の集合スポ
ツトに対しても高い輝度が測定された。なお、陰
極先端の曲率半径が増加すると共に輝度低下を示
すと同じように、本構造の陰極も先端平面の直径
が増加すると共に輝度は低下する。 しかし、先端平面の直径が100μm以上のもの
では第4図のパターンにおける中心スポツト7が
やや大きくなるが周辺スポツト8は小さくなると
共にバイアスが浅くても一様なモノスポツトが得
られる。但し、直径が300μm以上になるとこの
モノスポツトの輝度が105A/cm2・str以下になる
ので高輝度電子ビーム露光機などの陰極として好
適でない。
【表】 実施例1と同様の方法にて育成したLaB6単結
晶棒より<110>を軸方位とし、直径10μmの
(110)平面をもつ陰極チツプと、比較として先端
曲率半径10μmの陰極チツプとを加工し、加速電
圧20KV、陰極温度1580℃、真空度2×10-6torr
における輝度及び放射電流の安定性を調べた。<
110>方位の熱陰極は当然<100>とはやゝ異なる
パターンを示すが、結果は第2表に示すように
(110)平面をもつた本発明の陰極はセンタースポ
ツトの輝度集合スポツトの輝度および放射電流の
安定性ともに従来の球面陰極より優れた特性を示
した。
【表】
【表】 実施例 3 実施例1と同様の方法で育成したLaB6単結晶
より<111>を軸方位とし直径10μmの(111)結
晶平面をもつ陰極を加工した。加速電圧20KV、
陰極温度1600℃、真空度1×10-6torrにおけるク
ロスオーバーポイントのイメージを螢光板に映し
出したところ強いセンタースポツトを観察した。 実施例 4 フローテイングゾーン法及びフラツクス法で育
成したCeB6・SmB6・EuB6単結晶より<100><
110>方位のチツプを切出し直径10μmの平面陰
極を作成し、クロスオーバポイントのイメージを
観察したところ、第4図に示すようなセンタース
ポツトの強い対称性パターンを観察し、LaB6
本質的な差は認められなかつた。 以上説明したごとく、本発明によれば仕事関数
の小さい特定の結晶平面をもつた単結晶陰極を用
いることによつて、これまで見られなかつた中心
スポツトをもつた高輝度の電子ビームが得られ、
本発明の陰極を用いることによつてTEM.SEM
等の電子線応用機器の特性を向上させることが出
来た。 とくに、本発明の陰極は電子線リソグラフイー
で用いられる一様ビームを得る上で、高輝度の一
様ビーム源としてきわめて優れた特性をもつこと
も確かめられている。 なお本発明に適応出来る結晶材料は実施例に示
した材料以外にLaB6と同じ構造をもつ六ホウ化
カルシウム(CaB6)型結晶構造に属する硼化物
及び仕事関数の低い他の結晶面例えば<210>又
は<310>を軸方位とした結晶平面に適応出来る
ことはいうまでもなく、また陰極の加熱及び支持
構造については実施例に示した熱分解黒鉛による
直接加熱ばかりでなく間接加熱型でも適応出来広
く電子源に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は従来より使用されている多結
晶体及び単結晶体LaB6を用いた熱陰極の側面図
と、それから発生される電子ビームのクロスオー
バー・ポイントのイメージである。第3図は本発
明の熱陰極の斜視図、第4図はその側面図とそれ
から発生される電子ビームのクロスオーバー・ポ
イントのイメージである。 1……LaB6多結晶体、2……LaB6単結晶体、
3……先端平面部、4……金属製支柱、5……熱
分解黒鉛、6……ウエーネルト陰極、7……高輝
度のスポツト、8……輝度の低いスポツト。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 六硼化カルシウム型構造を有する単結晶を用
    いた熱陰極において、該陰極の先端部が円錐台形
    に加工されると共にその先端に直径が10μm〜
    260μmであつて且つ結晶面が(100)、(110)又
    は(111)結晶面のみからなる円形平面が形成さ
    れていることを特徴とする六硼化物単結晶陰極。
JP16204478A 1978-12-26 1978-12-26 Hexaboride single crystal cathode Granted JPS5588233A (en)

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