JPH06243776A - 熱電界放射電子銃 - Google Patents
熱電界放射電子銃Info
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- JPH06243776A JPH06243776A JP2695393A JP2695393A JPH06243776A JP H06243776 A JPH06243776 A JP H06243776A JP 2695393 A JP2695393 A JP 2695393A JP 2695393 A JP2695393 A JP 2695393A JP H06243776 A JPH06243776 A JP H06243776A
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Links
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/06—Sources
- H01J2237/063—Electron sources
- H01J2237/06308—Thermionic sources
- H01J2237/06316—Schottky emission
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 高速電子ビーム露光装置などの用途に有効な
安定な電子ビームを放射することができる熱電界放射陰
極を提供する。 【構成】 軸方位が＜１００＞方位からなるタングステ
ン単結晶の表面にジルコニウムと酸素とからなる被覆層
を設けてなる針状電極とサプレッサー電極とからなる熱
電界放射陰極において、前記針状電極を加熱するための
フィラメントの構造がＶ型形状をなし、そのＶ型のなす
角度が３０°〜９０°であることを特徴とする熱電界放
射電子銃である。フィラメントの材質はタングステン、
タンタル、レニウムモリブデンのいずれかにの金属、も
しくは前記金属のうち少なくとも２種以上を含む合金か
らなるものがよい。また、フィラメントのかわりに炭素
材料からなるブロック状ヒーターを使用することができ
る。そしてヒーターを固定する保持材はモリブデン、レ
ニウム、モリブデンレニウム合金のいずれかがよい。
安定な電子ビームを放射することができる熱電界放射陰
極を提供する。 【構成】 軸方位が＜１００＞方位からなるタングステ
ン単結晶の表面にジルコニウムと酸素とからなる被覆層
を設けてなる針状電極とサプレッサー電極とからなる熱
電界放射陰極において、前記針状電極を加熱するための
フィラメントの構造がＶ型形状をなし、そのＶ型のなす
角度が３０°〜９０°であることを特徴とする熱電界放
射電子銃である。フィラメントの材質はタングステン、
タンタル、レニウムモリブデンのいずれかにの金属、も
しくは前記金属のうち少なくとも２種以上を含む合金か
らなるものがよい。また、フィラメントのかわりに炭素
材料からなるブロック状ヒーターを使用することができ
る。そしてヒーターを固定する保持材はモリブデン、レ
ニウム、モリブデンレニウム合金のいずれかがよい。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子顕微鏡、測長機、電
子ビーム露光機、電子ビームテスターなどに用いられる
熱電界放射電子銃に関する。
子ビーム露光機、電子ビームテスターなどに用いられる
熱電界放射電子銃に関する。
【０００２】
【従来の技術】安定な高輝度電子源としてＬａＢ6 から
なる熱電子電子銃が使用されているが、低加速電子ビー
ムを必要とする測長機や高スループットを志向するする
電子ビーム露光機などが必要とする特性を満たすには至
っていない。そこで、近年軸方位が＜１００＞方位から
なるタングステン単結晶の針状電極にジルコニウムと酸
素とからなる被覆層を設けた、いわゆるＺｒＯ／Ｗ熱電
界放射電子銃が従来の電子銃に比べて高輝度、長寿命で
あり、また冷電界放射電子銃よりも安定で使いやすいと
いった特徴を有するため使用されるようになっている。
なる熱電子電子銃が使用されているが、低加速電子ビー
ムを必要とする測長機や高スループットを志向するする
電子ビーム露光機などが必要とする特性を満たすには至
っていない。そこで、近年軸方位が＜１００＞方位から
なるタングステン単結晶の針状電極にジルコニウムと酸
素とからなる被覆層を設けた、いわゆるＺｒＯ／Ｗ熱電
界放射電子銃が従来の電子銃に比べて高輝度、長寿命で
あり、また冷電界放射電子銃よりも安定で使いやすいと
いった特徴を有するため使用されるようになっている。
【０００３】このＺｒＯ／Ｗ熱電界放射電子銃の特徴
は、例えば米国特許4,324,999 号に記載されているよう
に、ジルコニウムと酸素の存在下でタングステン単結晶
の（１００）面の仕事関数が選択的に低下し、その面か
ら良質で安定した電子ビームが取り出せることにある。
は、例えば米国特許4,324,999 号に記載されているよう
に、ジルコニウムと酸素の存在下でタングステン単結晶
の（１００）面の仕事関数が選択的に低下し、その面か
ら良質で安定した電子ビームが取り出せることにある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した熱電界放射電
子銃は所定の回路にセットして真空に排気した後、フィ
ラメント、あるいはヒーターに所定の加熱電流を流して
針状電極の温度を上げ、更に所定の電界を加えて電子ビ
ームを取り出すが、使用中にしばしばビーム電流が変化
する、あるいはビームのスポット位置が変化するなどし
て安定に動作できないという問題があった。
子銃は所定の回路にセットして真空に排気した後、フィ
ラメント、あるいはヒーターに所定の加熱電流を流して
針状電極の温度を上げ、更に所定の電界を加えて電子ビ
ームを取り出すが、使用中にしばしばビーム電流が変化
する、あるいはビームのスポット位置が変化するなどし
て安定に動作できないという問題があった。
【０００５】本発明はこの問題点に鑑みてなされたもの
であって、使用中にビーム電流、またはビーム位置が変
化することがなく、安定して電子ビームを放射すること
のできる実用上有用な熱電界放射電子銃を提供すること
を目的とする。
であって、使用中にビーム電流、またはビーム位置が変
化することがなく、安定して電子ビームを放射すること
のできる実用上有用な熱電界放射電子銃を提供すること
を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、軸方位
が＜１００＞方位のタングステン単結晶の針状電極の表
面にジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けてなる熱
電界放射電子銃において、前記針状電極を加熱するため
のフィラメントの構造がＶ型形状を成し、そのＶ型の成
す角度が30°以上90°以下であることであり、又前記フ
ィラメントの材質がタングステン、タンタル、レニウ
ム、モリブデンのいずれかの金属、もしくは前記金属の
うちの２種以上からなる合金でなることである。
が＜１００＞方位のタングステン単結晶の針状電極の表
面にジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けてなる熱
電界放射電子銃において、前記針状電極を加熱するため
のフィラメントの構造がＶ型形状を成し、そのＶ型の成
す角度が30°以上90°以下であることであり、又前記フ
ィラメントの材質がタングステン、タンタル、レニウ
ム、モリブデンのいずれかの金属、もしくは前記金属の
うちの２種以上からなる合金でなることである。
【０００７】あるいは前記針状電極を加熱するためのヒ
ーターが炭素質材料であること、又針状電極を加熱する
ための前記炭素質材料からなるヒーターがモリブデン、
レニウム、モリブデンレニウム合金のうちのいずれかか
らなる支持体で保持されてなることにある。
ーターが炭素質材料であること、又針状電極を加熱する
ための前記炭素質材料からなるヒーターがモリブデン、
レニウム、モリブデンレニウム合金のうちのいずれかか
らなる支持体で保持されてなることにある。
【０００８】
【作用】通常、針状電極はフィラメント上に固定されて
おり、このフィラメントを1,500 ℃以上に電気的に加熱
することによって針状電極は加熱されている。そして、
この動作中の熱電界放射電子銃の針状電極が微妙に動く
とビームの照射される位置やビーム電流が変化するとい
う現象が発生する。従って、針状電極の動きを抑えるた
めにはフィラメントの動きを防止することが重要である
が、フィラメントには加工上の残留応力、及びそれ自身
の熱膨張率が存在するため、高温にさらされているフィ
ラメントの微妙な動きを抑えることは非常に難しい。
おり、このフィラメントを1,500 ℃以上に電気的に加熱
することによって針状電極は加熱されている。そして、
この動作中の熱電界放射電子銃の針状電極が微妙に動く
とビームの照射される位置やビーム電流が変化するとい
う現象が発生する。従って、針状電極の動きを抑えるた
めにはフィラメントの動きを防止することが重要である
が、フィラメントには加工上の残留応力、及びそれ自身
の熱膨張率が存在するため、高温にさらされているフィ
ラメントの微妙な動きを抑えることは非常に難しい。
【０００９】フィラメントの形状は図１に示すようなＶ
型の構造にし、そのＶ型の成す角度θを30°以上90°以
下とすることによって、このフィラメントの動きを最小
限に抑え、実用上十分に安定な熱電界放射電子銃を得る
ことができる。この角度範囲外のＶ型フィラメント、及
び例えば図３に示すようなＶ型以外の構造を有するフィ
ラメントでは、残留応力に起因すると考えられるフィラ
メントの動きが顕著であり、ビーム電流とビーム電流の
位置を安定させることは難しい。
型の構造にし、そのＶ型の成す角度θを30°以上90°以
下とすることによって、このフィラメントの動きを最小
限に抑え、実用上十分に安定な熱電界放射電子銃を得る
ことができる。この角度範囲外のＶ型フィラメント、及
び例えば図３に示すようなＶ型以外の構造を有するフィ
ラメントでは、残留応力に起因すると考えられるフィラ
メントの動きが顕著であり、ビーム電流とビーム電流の
位置を安定させることは難しい。
【００１０】また、このときのフィラメント径は0.1mm
以上0.2mm 以下、フィラメントの有効長さ（図１中の2
×L ）は5mm 以上 15mm 以下であることが望ましい。フ
ィラメントの径が0.1mm 未満か、または有効長さが 15m
m を越える場合は、いずれも熱膨張率の影響が大きく、
かつ機械的強度が十分でないため振動等の外乱によって
フィラメントの動きが発生する。一方、フィラメントの
径が0.2mm より大きいか、又は有効長さが５mm未満の場
合にはフィラメント両端の低温部（支柱に近い部分）と
フィラメント中央の高温部との温度勾配が急峻すぎ、内
部応力の変化によってフィラメントが動きやすい。
以上0.2mm 以下、フィラメントの有効長さ（図１中の2
×L ）は5mm 以上 15mm 以下であることが望ましい。フ
ィラメントの径が0.1mm 未満か、または有効長さが 15m
m を越える場合は、いずれも熱膨張率の影響が大きく、
かつ機械的強度が十分でないため振動等の外乱によって
フィラメントの動きが発生する。一方、フィラメントの
径が0.2mm より大きいか、又は有効長さが５mm未満の場
合にはフィラメント両端の低温部（支柱に近い部分）と
フィラメント中央の高温部との温度勾配が急峻すぎ、内
部応力の変化によってフィラメントが動きやすい。
【００１１】一方フィラメントの材質はタングステン、
タンタル、レニウム、モリブデンのうちのいずれかの金
属、もしくは前記金属のうちの２種以上を含む合金であ
る。これら以外の金属では高温加熱時の機械的強度が十
分に得られない。
タンタル、レニウム、モリブデンのうちのいずれかの金
属、もしくは前記金属のうちの２種以上を含む合金であ
る。これら以外の金属では高温加熱時の機械的強度が十
分に得られない。
【００１２】針状電極の動きを抑えるもう一つの有効な
手段として、針状電極の固定、及び加熱用の部材として
炭素質からなるブロック状ヒーターを用いることもでき
る。このとき針状電極を挟持するブロック状ヒーターの
保持にはモリブデン、レニウム、モリブデンレニウム合
金のうちのいずれかを用いることが望ましいが、特にモ
リブデンレニウム合金を用いたときにその効果は顕著で
ある。
手段として、針状電極の固定、及び加熱用の部材として
炭素質からなるブロック状ヒーターを用いることもでき
る。このとき針状電極を挟持するブロック状ヒーターの
保持にはモリブデン、レニウム、モリブデンレニウム合
金のうちのいずれかを用いることが望ましいが、特にモ
リブデンレニウム合金を用いたときにその効果は顕著で
ある。
【００１３】
【実施例】 （実施例１；実験No１〜８及び比較例１；実験No.9〜1
3）以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
3）以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【００１４】表１はフィラメントの材質、構造及び寸法
を変えたときのビームの安定性を示すビームの変動率の
測定結果である。ビームの変動率は下記に示す方法で測
定した。フィラメント材質はタングステンを用いた。変
動率が0.1%/h以下であれば、ビームの安定性は実用上問
題のない状態である。Ｖ型の角度θの小さい比較例No.
9、フィラメントが太く短い比較例No.10 、フィラメン
トが細く長い比較例No.11 、Ｖ型の角度が大きい比較例
No.12 及び図３に示すようなＵ型フィラメントの比較例
No.13 では実用上十分なビームの安定性を得ることがで
きなかった。
を変えたときのビームの安定性を示すビームの変動率の
測定結果である。ビームの変動率は下記に示す方法で測
定した。フィラメント材質はタングステンを用いた。変
動率が0.1%/h以下であれば、ビームの安定性は実用上問
題のない状態である。Ｖ型の角度θの小さい比較例No.
9、フィラメントが太く短い比較例No.10 、フィラメン
トが細く長い比較例No.11 、Ｖ型の角度が大きい比較例
No.12 及び図３に示すようなＵ型フィラメントの比較例
No.13 では実用上十分なビームの安定性を得ることがで
きなかった。
【００１５】
【表１】
【００１６】（実施例２；実験No.21 〜実験No.26 及び
比較例２；実験No.27 〜実験No.29 ）表２はフィラメン
ト材質を変えたときのビーム変動率の測定結果で、フィ
ラメント寸法はＶ型58度、線径φ0.125mm 、有効長さ8.
4mm とした。フィラメントの材質がタングステン、タン
タル、レニウム、モリブデンのいずれかの金属、もしく
は前記金属のうちの２種以上を含む合金のときにのみ、
ビーム変動率0.1%/h以下の良好な結果を得ることができ
た。
比較例２；実験No.27 〜実験No.29 ）表２はフィラメン
ト材質を変えたときのビーム変動率の測定結果で、フィ
ラメント寸法はＶ型58度、線径φ0.125mm 、有効長さ8.
4mm とした。フィラメントの材質がタングステン、タン
タル、レニウム、モリブデンのいずれかの金属、もしく
は前記金属のうちの２種以上を含む合金のときにのみ、
ビーム変動率0.1%/h以下の良好な結果を得ることができ
た。
【００１７】
【表２】
【００１８】（実施例３；実験No.31 〜実験No.36 ）表
３は図２に示すような構造の炭素系のブロック状ヒータ
ーを用いた場合の測定結果である。表中のＰＧとはパイ
ロリティックグラファイト、ＨＰＣとは積層させたフラ
ン樹脂をホットプレス処理して作った炭素系ヒーターで
ある。針状電極、及びブロック状ヒーターを保持する支
柱の材質にモリブデン・レニウムの合金を用いた場合に
最も良好な安定性を得ることができた。
３は図２に示すような構造の炭素系のブロック状ヒータ
ーを用いた場合の測定結果である。表中のＰＧとはパイ
ロリティックグラファイト、ＨＰＣとは積層させたフラ
ン樹脂をホットプレス処理して作った炭素系ヒーターで
ある。針状電極、及びブロック状ヒーターを保持する支
柱の材質にモリブデン・レニウムの合金を用いた場合に
最も良好な安定性を得ることができた。
【００１９】
【表３】
【００２０】（ビーム変動率の測定方法）熱電界放射電
子銃の針状電極先端より48mm離れた軸上に直径φ0.64mm
の絞りを設け、この絞りを通過した電子ビームを Ip と
する。時刻 t1 の時の Ip をIp1、時刻 t2 の時の Ip
を Ip2とすると、ビーム変動率は ビーム変動率 ＝（ Ip2−Ip1 ）X 100 ／｛Ip1 ・( t2
− t1 ）；［％／ｈ］ とした。なお、( t2− t1 ）は約10時間とした。
子銃の針状電極先端より48mm離れた軸上に直径φ0.64mm
の絞りを設け、この絞りを通過した電子ビームを Ip と
する。時刻 t1 の時の Ip をIp1、時刻 t2 の時の Ip
を Ip2とすると、ビーム変動率は ビーム変動率 ＝（ Ip2−Ip1 ）X 100 ／｛Ip1 ・( t2
− t1 ）；［％／ｈ］ とした。なお、( t2− t1 ）は約10時間とした。
【００２１】
【発明の効果】本発明の熱電界放射電子銃は使用中にビ
ーム電流やビーム位置が変化することなく、安定な電子
ビームを得ることができるので、高輝度な電子ビームを
必要とする電子顕微鏡、測長機、電子ビーム露光機、電
子ビームテスターなどの用途に有効である。
ーム電流やビーム位置が変化することなく、安定な電子
ビームを得ることができるので、高輝度な電子ビームを
必要とする電子顕微鏡、測長機、電子ビーム露光機、電
子ビームテスターなどの用途に有効である。
【図１】本発明の熱電界放射電子銃の一例を示す構造図
である。
である。
【図２】本発明の熱電界放射電子銃の一例を示す構造図
である。
である。
【図３】比較例の熱電界放射電子銃の構造図である。
１：針状電極 ２：フィラメント ３：支柱 ４：絶縁材料 ５：ブロック状ヒーター
Claims (4)
- 【請求項１】 軸方位が＜１００＞方位のタングステン
単結晶の針状電極の表面にジルコニウムと酸素からなる
被覆層を設けてなる熱電界放射電子銃において、前記針
状電極を加熱するためのフィラメントの構造がＶ型形状
を成し、そのＶ型の成す角度が30°以上90°以下である
ことを特徴とする熱電界放射電子銃。 - 【請求項２】 フィラメントの材質がタングステン、タ
ンタル、レニウム、モリブデンのいずれかの金属、もし
くは前記金属のうちの少なくとも２種を含む合金からな
ることを特徴とする請求項１記載の熱電界放射電子銃。 - 【請求項３】 軸方位が＜１００＞方位のタングステン
単結晶の針状電極の表面にジルコニウムと酸素からなる
被覆層を設けてなる熱電界放射電子銃において、前記針
状電極を加熱するためのヒーターが炭素質材料であるこ
とを特徴とする熱電界放射電子銃。 - 【請求項４】 針状電極を加熱するためのヒーターがモ
リブデン、レニウム、モリブデンレニウム合金のうちの
いずれかからなる支持体で保持されてなることを特徴と
する請求項３記載の熱電界放射電子銃。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2695393A JPH06243776A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 熱電界放射電子銃 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2695393A JPH06243776A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 熱電界放射電子銃 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06243776A true JPH06243776A (ja) | 1994-09-02 |
Family
ID=12207528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2695393A Pending JPH06243776A (ja) | 1993-02-16 | 1993-02-16 | 熱電界放射電子銃 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06243776A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5986415A (en) * | 1997-08-27 | 1999-11-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Linear electron accelerator |
| JP2006054108A (ja) * | 2004-08-11 | 2006-02-23 | Doshisha | アーク放電用陰極及びイオン源 |
| US7454262B2 (en) * | 2002-12-19 | 2008-11-18 | Arcam Ab | Arrangement and method for production of a three dimensional object |
| US9640360B2 (en) | 2011-10-12 | 2017-05-02 | Hitachi High-Technologies Corporation | Ion source and ion beam device using same |
| WO2025204770A1 (ja) * | 2024-03-28 | 2025-10-02 | デンカ株式会社 | 電子銃部品、電子銃、及び、電子線装置 |
-
1993
- 1993-02-16 JP JP2695393A patent/JPH06243776A/ja active Pending
Cited By (5)
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