RU2004028C1 - Автоэмиссионный катод - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электронике, в частности к холодным катодам, и может быть использовано в электронных приборах, например электронных микроскопах и установках электронной литографии . Сущность изобретени  заключаетс  в том, что в катоде, содержащем эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранном в диапазоне 0,1 - 0,4 мкм. 1 табл, 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к электронике, может быть применено з различных глект- ронных приборах, использующих аысокоин- тенсивный электронный зонд малого диаметра.

В промышленных электронных микроскопах известно использование острийных вольфрамовых автоэмиссионных катодов, имеющих радиус эмигрирующего остри  1х х10 мкм и менее. Дл  обеспечени  устой- чивой работы такого катода необходимо поддержание в прикатодной области вакуума 10 мм рт.ст., что  вл етс  весьма сложной , а в отечественной промышленности пока не решенной технической задачей.

Существенным преимуществом авто- эмиссионных катодов из материалов на основе углерода  вл етс  их устойчива  работоспособность в вакууме 10 - мм

рт.ст.

Известны автоэмиссионные кзтоды из углеродных нитей диаметром 5-3 мкм, эмитирующей поверхностью потерьх служит поверхность слома волокна оез дополни- :ельной обработки. Однако из-Зй множественности центров эмиссии катоды такой хс/нстр,к.1. и i-.e обладают необходимой воспроизводимостью и стабильностью эмиссионных характеристик.

Повышение стабильности к воспроизводимости эмиссионных характеристик до- с т и г н у т о в коне т р у к ц м и к а т о д о в из углеродных волокон с заостренными аер- шинлми. Наиболее близким к изобретению  вл етс  автоэмиссионный катод из углеродного волокна, эмиттирующее окончание которого имеет коническую форму с малым радиусом кривизны вершины. 0,2-0.5 мкм и менее, закрепленного на металлическом держателе , выпопненном в виде дужки из проволоки .

Автоэмиссионные катоды, имеющие такую форму эмиттирующего окончани  волокна , формируют расход щийс  электронный поток с телесным углом, пре восход щим 60°, и, следовательно, их электронно-оптическа ,  ркость относительно невысока. Кроме того, при такой форме эмиттирующего окончани  волокна углеродные катоды характеризуютс  множественностью центров эмиссии и их последовательной работой, что приводит к мерцанию электронного п тнз, и, наконец , такой катод имеет ограниченный срок службы из-за разрушени  остри  под. дейс вием электронной бомбардировки.

Вместе с тем дл  радикального улучшени  основных параметров приборов, примен ющихс  при исследовании и обработке поверхности, таких как разрешающа  спс

ист-

0

b

0

5

0

0

5

0

5

со&ноеть, контрастность изображени  и быстродействие , необходимы катоды, формирующие электронные потоки, локализованные и сравнительна малого телесном угле и обладающие высокой электронно-оптической  ркостью, посто нным свечением электронного п тна и повышенной долговечностью.

Изобретение направлено на повышение электронно-оптической  ркости авто- змиссионного катода, однородности эмиссии « долговечности.

Техническа  задача решаетс  тем, что в автсзмиссионном катоде, содержащем эмиттер кз углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранным з диапазоне 0,1-0,4 мкм.

Эффект повышени  электронно-оптической  ркости автоэмиссмонкого катода св зан с локализацией эмиссии в малом телесном угле и объ сн етс  фокусирующим действием кромок и стенок углублени , в результате чего основна  часть траекторий электронов проходит в прносевой области , Формиру  электронный поток высокой интенсивности, малого поперечного сечени , локализованный в малом телесном угле .

В за вл емой конструкции в приосевую область сводитс  интегральный электрон- Hbii/s поток и таким образом усредн етс  эмисси  множества центров и устран етс  мерцание электронного п тна, Предлагаема  форма эмиттирующей поверхности под действием ионной бомбардировки практически не измен етс , что обусловливает высокую долговечность работы катода.

Отличие за вл емой конструкции от прототипа состоит в форме эмитирующей поверхности: в прототипе это острие с малым радиусом кривизны, а в за вл емой конструкции на вершине заточенного волокна по его оси имеетс  углубление, осуществл ющее сведение электронного луча в однородный поток высокой интенсивности с малым поперечным сечением.

Выбор оптимальной формы и размеров углублени  на вершине заточенного углеродного волокна произведен на основе электронно-оптического расчета в системе катод-анод и подтвержден практикой. Критерием расчета  вл лось достижение максимальной электронно-оптической  ркости.

На фиг.1 изображен автоэмиссионный катод, в котором углеродное волокно 1,  вл ющеес  собственно эмиттером, закреплено на вольфрамовой ду;: ке-держьтеле 2; иг

фиг.2 приведена электронно-микроскопическа  фотографи  окончани  заостренного углеродного волокна с углублением на вершине оси (увеличение 50000 X); на фиг.З показаны контуры пучка в электронно-опти- ческой системе с катодом, имеющим полусферическое углубление диаметром 0,2 мкм, где на вершине углеродного волокна 1 вдоль его продольной оси выполнено углубление 3.

Конфигураци  углублени  (цилиндрическа , коническа  либо полусферическа ), а также его высота согласно проведенным расчетам и практике на сходимость электронного пучка и электронно-оптическую  р- кость не сказываетс , поскольку из-за резкого спада электрического пол  по высоте углублени  эффективно работает лишь кольцо, высотой, не превосход щей его диаметр , прилежащее к кромке углублени .

Выбор оптимального значени  диаметра углублени  проводили в диапазоне его изменени  от 0,05 до 0,6 мкм. Расчетным путем установлено существование оптимального размера углублени : при диамет- ре D и высоте Н углублени  0,2 мкм достигаетс  максимальное расчетное значение электронно-оптической  ркости, равное 3,5 -10 А/см2. Отклонение диаметра углублени  от оптимального размера в сто- рону уменьшени  сопровождаетс  понижением общего тока с катода, а в сторону увеличени  - повышением расходимости электронного потока. Обе эти причины привод т к уменьшению и электронно-оптиче- ской  ркости, и при диаметре, меньше 0,1 мкм и большем 0,4 мкм, значение электронно-оптической  ркости падает на 1-1,5 пор дка в сравнении с максимальной величиной.

В таблице приведены полученные расчетным путем значени  основных параметров за вл емого катода при изменении диаметра D углублени  от 0,05 до 0,6 мкм.

Пример. Опытную эксплуатацию электронной пушки с автоэмиссиониым катодом из заточенного углеродного волокна 1 диаметром 7 мкм, закрепленного на вольфрамовой дужке-держателе 2 и имеющего на вершине воронкообразное углубление диаметром 0,2 мкм, проводили в составе низкоэнергетического сканирующего электронного микроскопа в режиме

Вакуум в районе

з

катода, мм рт.ст.1 -10

Накал дужки-держател . А2

Выт гивающее напр жение . кВ4 Апертура электронного пучка в объективе, рад 10 Общий ток эмиссии, мкА 4-5 Ускор ющее напр жение , кВ 0,04-1 Испытани  пушки с автоэмиссионным катодом из углеродного волокна с воронкообразным углублением диаметром 0,2 мкм подтвердили, что он формирует электронный поток с малым энергетическим разбросом электронов. Угол расхождени  пучка эмиссии, определенный по следу на первой диафрагме, 8°. Определенна  по экспериментальным данным электронно-оптическа   ркость превосходит 1 10 А/см ср. Врем  наработки катода превосходило 1000ч.

Кроме/гого, получены снимки топологии фоторезиста на кремниевой пластине при ускор ющих напр жени х 40, 150, 200, 500, 700 В и 1 кВ. В диапазоне ускор ющих напр жений 40-150В достигнута разрешаюо

ща  способность 70-100 А, соответствующа  теоретическим возможност м низкоэнергетического сканирующего электронного микроскопа.

Основные технические результаты изобретени  св заны с высокой локализацией эмиссии в малом телесном угле и высокой электронно-оптической  ркостью.

Эксплуатаци  электронных пушек с за вл емыми катодами в разрабатываемых отечественных низкоэнергетических сканирующих электронных микроскопах и установках электронной литографии привела к повышению разрешающей способности и производительности аппаратуры, а использование в электронных микроскопах типа Квикскан американского производства привело к существенному повышению контрастности изображени  в режиме упруго отраженных электронов.

(56) Фрейберг Г.Н. Изготовление тонких автоэмиссионных эмиттеров. Приборы и техника эксперимента, № б, 1967. с. 176

Патент Англии № 1434189, кл. Н 01J 9/02, 1970.

Примечание:)0- угол граничной траектории пучка с осью симметрии; Q- полный телесный угол пучка; Ек - реальное значение пол  на катоде: Е К -Ерасч, где К - коэффициент усилени  пол ; п-плотность автоэмиссионного тока дл  S3- площадь реально эмитгирующей поверхности углублени ; I полный ток автоэмиссии; Овирт - диаметр виртуального катода; Звирт - площадь виртуального катода; I - электронно-оптическа   ркость пучка. Максимальное отклонение траекторий пучка р от оси составл ет 0,4°.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   , АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД, содержащий эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, отличающийс 

   Фиг/

   тем, что на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранным в диапазоне 0,1 -0,4 мкм.

   +ZK& ////У //////,./,///,. //. ///-s

   фиг 2

   Vp I