JPH0778552A - 電界放射型陰極およびその製造方法 - Google Patents
電界放射型陰極およびその製造方法Info
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- JPH0778552A JPH0778552A JP22417693A JP22417693A JPH0778552A JP H0778552 A JPH0778552 A JP H0778552A JP 22417693 A JP22417693 A JP 22417693A JP 22417693 A JP22417693 A JP 22417693A JP H0778552 A JPH0778552 A JP H0778552A
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- Japan
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- single crystal
- field emission
- melting point
- wire
- filament
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-
- 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
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】電流密度が高く、結晶欠陥の生じない製造方法
に関し、長時間安定に動作する電界放射型陰極を提供す
る。 【構成】単結晶とフィラメントの接合を金属粉末または
カーボン材の焼結により行い、単結晶に結晶欠陥が起こ
らないようにした。
に関し、長時間安定に動作する電界放射型陰極を提供す
る。 【構成】単結晶とフィラメントの接合を金属粉末または
カーボン材の焼結により行い、単結晶に結晶欠陥が起こ
らないようにした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は電子線描画装置や電子顕
微鏡等の電子線応用装置において用いられる電子源に係
り、特に、長寿命で、安定な電界放射型陰極およびその
製造方法に関する。
微鏡等の電子線応用装置において用いられる電子源に係
り、特に、長寿命で、安定な電界放射型陰極およびその
製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子線描画装置や電子顕微鏡等の電子線
応用装置の電子源として広く用いられている電界放射型
陰極は、細い高融点金属の単結晶線の先端を針状に尖が
らせ、先端が仕事関数の低い特定の面方位、例えば、
(１００)面や(３１０)面となるようにし、そこに強電界
を印加し、トンネル効果で電子を引き出している。これ
については電子・イオンビームハンドブック１４１頁〜
１５９頁に述べられている。この電界放射型陰極は、加
熱するためのヘアピン状のフィラメントと、電子を引き
出すための先端を針状に尖がらせた細い高融点金属の単
結晶線で構成されているが、その接合はスポット溶接で
行われている。しかし、このスポット溶接を行うこと
で、単結晶線の結晶配列に欠陥が生じる。
応用装置の電子源として広く用いられている電界放射型
陰極は、細い高融点金属の単結晶線の先端を針状に尖が
らせ、先端が仕事関数の低い特定の面方位、例えば、
(１００)面や(３１０)面となるようにし、そこに強電界
を印加し、トンネル効果で電子を引き出している。これ
については電子・イオンビームハンドブック１４１頁〜
１５９頁に述べられている。この電界放射型陰極は、加
熱するためのヘアピン状のフィラメントと、電子を引き
出すための先端を針状に尖がらせた細い高融点金属の単
結晶線で構成されているが、その接合はスポット溶接で
行われている。しかし、このスポット溶接を行うこと
で、単結晶線の結晶配列に欠陥が生じる。
【０００３】電界放射型陰極は常温で使用するものと高
温で使用するものとの二種類あり、前者では針状の先端
に付着した不要なガス分子を取り除くために、１８００
℃以上の温度で数秒間加熱するフラッシングを十数時間
〜１日に１回行う。また、後者は１３００℃以上の温度
で加熱したまま使用する。これらの加熱により、スポッ
ト溶接時に生じた結晶欠陥が単結晶先端方向に成長して
いく。長時間の使用によりこの欠陥が先端まで達する
と、先端の結晶方位が変化してしまい、電子の放出され
る方向に軸ずれが起きたり、全く電子が放出されなくな
る。
温で使用するものとの二種類あり、前者では針状の先端
に付着した不要なガス分子を取り除くために、１８００
℃以上の温度で数秒間加熱するフラッシングを十数時間
〜１日に１回行う。また、後者は１３００℃以上の温度
で加熱したまま使用する。これらの加熱により、スポッ
ト溶接時に生じた結晶欠陥が単結晶先端方向に成長して
いく。長時間の使用によりこの欠陥が先端まで達する
と、先端の結晶方位が変化してしまい、電子の放出され
る方向に軸ずれが起きたり、全く電子が放出されなくな
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、長時間の使
用によっても単結晶の結晶配列に欠陥の生じないような
電界放射型陰極の製造方法に関し、それにより長時間安
定に動作する電界放射型陰極を提供することにある。
用によっても単結晶の結晶配列に欠陥の生じないような
電界放射型陰極の製造方法に関し、それにより長時間安
定に動作する電界放射型陰極を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】電界放射型陰極を構成す
る加熱用フィラメントと、電子を引き出すための先端を
針状に尖がらせた細い高融点金属の単結晶線の接合を、
金属粉末またはカーボン材の塗布及び焼結により行うこ
とで上記課題が達成できる。
る加熱用フィラメントと、電子を引き出すための先端を
針状に尖がらせた細い高融点金属の単結晶線の接合を、
金属粉末またはカーボン材の塗布及び焼結により行うこ
とで上記課題が達成できる。
【０００６】
【作用】本発明の電界放射型陰極の説明図を図１（ａ）
に示す。１が高融点金属単結晶線。２が高融点金属の多
結晶線からなるヘアピン状のフィラメント。４はステン
レス等の端子でフィラメント２がスポット溶接されてい
る。５はセラミック碍子である。高融点金属単結晶線１
とフィラメント２の接合部には、高融点金属単結晶線１
とフィラメント２より融点の低い金属粉末またはカーボ
ン材３が塗布されている。これを加熱し焼結することに
より、金属粉末またはカーボン材３が硬化する。これに
より高融点金属単結晶線１とフィラメント２が接合さ
れ、導電性も得られる。ここで従来のスポット溶接接合
と異なる点は、高融点金属単結晶線１とフィラメント２
の結晶構造に何ら負担をかけていないということであ
る。したがって、高融点金属単結晶線１には欠陥が生じ
ないので、上記問題が解決でき、陰極の電流安定性，寿
命、および信頼性を格段に上げることができる。
に示す。１が高融点金属単結晶線。２が高融点金属の多
結晶線からなるヘアピン状のフィラメント。４はステン
レス等の端子でフィラメント２がスポット溶接されてい
る。５はセラミック碍子である。高融点金属単結晶線１
とフィラメント２の接合部には、高融点金属単結晶線１
とフィラメント２より融点の低い金属粉末またはカーボ
ン材３が塗布されている。これを加熱し焼結することに
より、金属粉末またはカーボン材３が硬化する。これに
より高融点金属単結晶線１とフィラメント２が接合さ
れ、導電性も得られる。ここで従来のスポット溶接接合
と異なる点は、高融点金属単結晶線１とフィラメント２
の結晶構造に何ら負担をかけていないということであ
る。したがって、高融点金属単結晶線１には欠陥が生じ
ないので、上記問題が解決でき、陰極の電流安定性，寿
命、および信頼性を格段に上げることができる。
【０００７】
【実施例】本発明による電界放射型陰極の構造及び製造
方法を図１（ａ）により説明する。第一の実施例とし
て、電界放射型陰極を構成する材料にタングステンを用
いたものについて述べる。直径０.１５mm のタングステ
ン多結晶線を加熱用のヘアピン型に成型してフィラメン
ト２とし、フィラメント２の先端中心部に面方位（１０
０）のタングステン単結晶１をジルコニウム粉末を用い
て接合した。ジルコニウム粉末を接合に用いるには、ま
ず、ニトロセルロースを酢酸ブチルに溶解させた粘性の
液体にジルコニウム粉末(粒径０.１μｍ程度）を溶い
て、タングステン単結晶１とフィラメント２の接合部に
塗布する。これを自然乾燥で硬化させた後、真空中で加
熱焼結させる。このとき加熱温度を放射温度計で確認し
ながら、ゆっくり時間をかけてジルコニウムの融点より
１００℃程度低い１７００℃まで加熱する。この焼結を
行うことでタングステン単結晶１とフィラメント２が接
合され、導電性が得られる。
方法を図１（ａ）により説明する。第一の実施例とし
て、電界放射型陰極を構成する材料にタングステンを用
いたものについて述べる。直径０.１５mm のタングステ
ン多結晶線を加熱用のヘアピン型に成型してフィラメン
ト２とし、フィラメント２の先端中心部に面方位（１０
０）のタングステン単結晶１をジルコニウム粉末を用い
て接合した。ジルコニウム粉末を接合に用いるには、ま
ず、ニトロセルロースを酢酸ブチルに溶解させた粘性の
液体にジルコニウム粉末(粒径０.１μｍ程度）を溶い
て、タングステン単結晶１とフィラメント２の接合部に
塗布する。これを自然乾燥で硬化させた後、真空中で加
熱焼結させる。このとき加熱温度を放射温度計で確認し
ながら、ゆっくり時間をかけてジルコニウムの融点より
１００℃程度低い１７００℃まで加熱する。この焼結を
行うことでタングステン単結晶１とフィラメント２が接
合され、導電性が得られる。
【０００８】次に、この導電性を利用してタングステン
単結晶１の先端を針状に尖らせるための電界研磨を行
う。この電界研磨は、ＮａＯＨ水溶液にタングステン単
結晶１を浸し、直流電圧を印加することで、タングステ
ン単結晶１を徐々に細らせながら切断することを目的と
しており、これを施すことにより、タングステン単結晶
１の先端曲率半径が０.１μｍ 程度のものが出来上が
る。こうして出来上がった電界放射型陰極に、タングス
テン単結晶１の先端の仕事関数を下げるための拡散剤６
として、酸化ジルコニウム粉末を純水で溶いて図１
（ｂ）に示すようにジルコニウム粉末３上に塗布する。
単結晶１の先端を針状に尖らせるための電界研磨を行
う。この電界研磨は、ＮａＯＨ水溶液にタングステン単
結晶１を浸し、直流電圧を印加することで、タングステ
ン単結晶１を徐々に細らせながら切断することを目的と
しており、これを施すことにより、タングステン単結晶
１の先端曲率半径が０.１μｍ 程度のものが出来上が
る。こうして出来上がった電界放射型陰極に、タングス
テン単結晶１の先端の仕事関数を下げるための拡散剤６
として、酸化ジルコニウム粉末を純水で溶いて図１
（ｂ）に示すようにジルコニウム粉末３上に塗布する。
【０００９】図２はこのように製作した電界放射型陰極
を真空容器に入れ、電子を引きだすための配置を示す。
電界放射型陰極１２を加熱するための加熱電源７と、引
き出し電極９−電界放射型陰極１２間に強電界を印加す
るための高圧電源８と、電界放射型陰極１２から取り出
したビーム電流を検出するためのファラデーゲージ１０
と、その電流を測定するための電流計１１で構成されて
いる。この装置を用いて今回発明した電界放射型陰極と
従来型の電子放出特性を比較した。
を真空容器に入れ、電子を引きだすための配置を示す。
電界放射型陰極１２を加熱するための加熱電源７と、引
き出し電極９−電界放射型陰極１２間に強電界を印加す
るための高圧電源８と、電界放射型陰極１２から取り出
したビーム電流を検出するためのファラデーゲージ１０
と、その電流を測定するための電流計１１で構成されて
いる。この装置を用いて今回発明した電界放射型陰極と
従来型の電子放出特性を比較した。
【００１０】以下に評価実験手順を示す。まず、加熱電
源７によりフィラメント２を通電加熱して酸化ジルコニ
ウム粉末を焼結させた。この時、３０分程度かけて温度
を１４３０℃までゆっくりと上昇させた。その後、引き
出し電源８により高電圧を徐々に印加し、４ｋＶ程度の
ときに、蛍光体を塗布した引き出し電極９に電子放出パ
ターンが現れた。この時の引き出し電極９の小孔を抜け
てファラデーゲージ１０に検出された電流を測定したと
ころ、従来型と同等の電子放出特性を得ることができ、
５０００時間以上電子放出面の軸がずれることなく安定
であることも確認した。また、拡散剤を用いずにタング
ステン単結晶１の面方位（３１０）を用いた電界放射型
陰極を、常温で使用しながら１８００℃以上のフラッシ
ングを１０００回以上施したが、電子放出の軸ずれは起
こらなかった。
源７によりフィラメント２を通電加熱して酸化ジルコニ
ウム粉末を焼結させた。この時、３０分程度かけて温度
を１４３０℃までゆっくりと上昇させた。その後、引き
出し電源８により高電圧を徐々に印加し、４ｋＶ程度の
ときに、蛍光体を塗布した引き出し電極９に電子放出パ
ターンが現れた。この時の引き出し電極９の小孔を抜け
てファラデーゲージ１０に検出された電流を測定したと
ころ、従来型と同等の電子放出特性を得ることができ、
５０００時間以上電子放出面の軸がずれることなく安定
であることも確認した。また、拡散剤を用いずにタング
ステン単結晶１の面方位（３１０）を用いた電界放射型
陰極を、常温で使用しながら１８００℃以上のフラッシ
ングを１０００回以上施したが、電子放出の軸ずれは起
こらなかった。
【００１１】以上はタングステン単結晶１とフィラメン
ト２を接合する金属に、ジルコニウムを用いた場合につ
いて述べたが、チタニウム，ハフニウム，イットリウ
ム，スカンジウム，トリウム，ベリリウム等の金属粉末
を用いても同様の結果が得られた。また、その溶解にニ
トロセルロースを酢酸ブチルに溶解させた液体を使用し
たが、これに限らず有機溶剤または純水でも良い。
ト２を接合する金属に、ジルコニウムを用いた場合につ
いて述べたが、チタニウム，ハフニウム，イットリウ
ム，スカンジウム，トリウム，ベリリウム等の金属粉末
を用いても同様の結果が得られた。また、その溶解にニ
トロセルロースを酢酸ブチルに溶解させた液体を使用し
たが、これに限らず有機溶剤または純水でも良い。
【００１２】次に第二の実施例としてタングステン単結
晶１とフィラメント２の接合に金属粉末ではなく、グラ
ッシィカーボンを用いたものについて述べる。この時使
用したグラッシィカーボンは、フルフリルアルコールと
Ｐ−トルエンスルホン酸エチルを調合し、恒温槽で２日
間撹拌してできるフラン樹脂を加熱し、炭化させたもの
である。グラッシィカーボンによる接合は粘液状態にあ
るフラン樹脂を、図１（ａ）に示すようにタングステン
単結晶１とフィラメント２の接合部に塗布し、真空中で
１２００℃まで加熱する。この加熱でフラン樹脂が炭化
してグラッシィカーボンとなり、導電性が得られる。こ
うして製作した電界放射型陰極に、図１（ｂ）に示すよ
うな塗布方法で拡散剤を塗布したところ、やはり従来型
と同等の電子放出特性を得ることができ、５０００時間
以上電子放出面の軸がずれることなく安定であることも
確認した。また、第一の実施例で述べたように、拡散剤
を用いないタングステン単結晶１の面方位（３１０）の
電界放射型陰極を製作し、１８００℃以上のフラッシン
グを１０００回以上施したが、電子放出の軸ずれは起こ
らなかった。
晶１とフィラメント２の接合に金属粉末ではなく、グラ
ッシィカーボンを用いたものについて述べる。この時使
用したグラッシィカーボンは、フルフリルアルコールと
Ｐ−トルエンスルホン酸エチルを調合し、恒温槽で２日
間撹拌してできるフラン樹脂を加熱し、炭化させたもの
である。グラッシィカーボンによる接合は粘液状態にあ
るフラン樹脂を、図１（ａ）に示すようにタングステン
単結晶１とフィラメント２の接合部に塗布し、真空中で
１２００℃まで加熱する。この加熱でフラン樹脂が炭化
してグラッシィカーボンとなり、導電性が得られる。こ
うして製作した電界放射型陰極に、図１（ｂ）に示すよ
うな塗布方法で拡散剤を塗布したところ、やはり従来型
と同等の電子放出特性を得ることができ、５０００時間
以上電子放出面の軸がずれることなく安定であることも
確認した。また、第一の実施例で述べたように、拡散剤
を用いないタングステン単結晶１の面方位（３１０）の
電界放射型陰極を製作し、１８００℃以上のフラッシン
グを１０００回以上施したが、電子放出の軸ずれは起こ
らなかった。
【００１３】以上、本実施例で述べた加熱温度や引き出
し電圧はごく一例であって、接合部の塗布材やその他の
条件に応じてこれらの数値に限ることなく使用できる。
し電圧はごく一例であって、接合部の塗布材やその他の
条件に応じてこれらの数値に限ることなく使用できる。
【００１４】また、以上の実施例では電界放射型陰極を
構成する材料にタングステンを用いたが、これは単結
晶，多結晶ともに高融点の金属であれば良い。タングス
テンと同様に、融点が２５００℃以上であるモリブデ
ン，タンタル，レニウムでもタングステンを用いた場合
と同様な結果が得られた。したがって、融点が２５００
℃以上の金属材料であれば、これらにこだわることなく
用いることができる。また、拡散剤も酸化ジルコニウム
に限らず、チタニウム，ハフニウム，イットリウム，ス
カンジウム，トリウム，ベリリウム等の酸化物でも同様
の結果が得られた。また、拡散剤の塗布場所もタングス
テン単結晶１とフィラメント２の接合部ではなく、図１
（ｃ）に示すように、タングステン単結晶１の中腹部に
塗布しても同様である。
構成する材料にタングステンを用いたが、これは単結
晶，多結晶ともに高融点の金属であれば良い。タングス
テンと同様に、融点が２５００℃以上であるモリブデ
ン，タンタル，レニウムでもタングステンを用いた場合
と同様な結果が得られた。したがって、融点が２５００
℃以上の金属材料であれば、これらにこだわることなく
用いることができる。また、拡散剤も酸化ジルコニウム
に限らず、チタニウム，ハフニウム，イットリウム，ス
カンジウム，トリウム，ベリリウム等の酸化物でも同様
の結果が得られた。また、拡散剤の塗布場所もタングス
テン単結晶１とフィラメント２の接合部ではなく、図１
（ｃ）に示すように、タングステン単結晶１の中腹部に
塗布しても同様である。
【００１５】
【発明の効果】本発明によれば、スポット溶接を用いず
に電界放射型陰極が製作でき、単結晶に結晶欠陥が生じ
ない。そのため、高温域でも安定で長寿命な電界放射型
陰極が実現できる。
に電界放射型陰極が製作でき、単結晶に結晶欠陥が生じ
ない。そのため、高温域でも安定で長寿命な電界放射型
陰極が実現できる。
【図１】本発明の電界放射型陰極の説明図。
【図２】本電界放射型陰極の特性評価系の回路図。
１…単結晶、２…フィラメント、３…高融点金属粉末ま
たはカーボン材、４…端子、５…セラミック碍子又はガ
ラスベース、６…拡散剤。
たはカーボン材、４…端子、５…セラミック碍子又はガ
ラスベース、６…拡散剤。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒田 勝広 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (4)
- 【請求項１】先端が針状に尖った高融点金属の単結晶線
と、高融点金属の多結晶細線をヘアピン状に形成した加
熱用フィラメントとからなる電界放射型陰極において、
上記単結晶線と上記加熱用フィラメントとの接合部分に
１８００Ｋ以上の融点を持つ金属粉末を塗布し、前記金
属粉末の焼結により上記単結晶線と上記加熱用フィラメ
ントとの接合部分を支持する構造を特徴とする電界放射
型陰極。 - 【請求項２】先端が針状に尖った高融点金属の単結晶線
と、高融点金属の多結晶細線をヘアピン状に形成した加
熱用フィラメントとからなる電界放射型陰極において、
上記単結晶線と上記加熱用フィラメントとの接合部分に
カーボン材を塗布し、その焼結により上記単結晶線と上
記加熱用フィラメントとの接合部分を支持する構造を特
徴とする電界放射型陰極。 - 【請求項３】請求項１において、上記単結晶線と上記加
熱用フィラメントとの接合部分に塗布する金属粉末を、
純水または有機溶剤によりペースト状にして塗布する電
界放射型陰極の製造方法。 - 【請求項４】請求項１，２または３において、上記単結
晶線と上記加熱用フィラメントとの金属粉末焼結接合部
分に、仕事関数または電気陰性度の小さい金属の酸化物
を純水または有機溶剤によりペースト状にして塗布する
電界放射型陰極の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22417693A JPH0778552A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 電界放射型陰極およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22417693A JPH0778552A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 電界放射型陰極およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0778552A true JPH0778552A (ja) | 1995-03-20 |
Family
ID=16809720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22417693A Pending JPH0778552A (ja) | 1993-09-09 | 1993-09-09 | 電界放射型陰極およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0778552A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003507872A (ja) * | 1999-08-20 | 2003-02-25 | フェイ カンパニ | 寿命が延長されたショットキーエミッター |
| JP2010271158A (ja) * | 2009-05-21 | 2010-12-02 | Japan Ae Power Systems Corp | 電子線源用フィラメント構造体 |
| WO2011142054A1 (ja) * | 2010-05-10 | 2011-11-17 | 電気化学工業株式会社 | 電子源 |
-
1993
- 1993-09-09 JP JP22417693A patent/JPH0778552A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003507872A (ja) * | 1999-08-20 | 2003-02-25 | フェイ カンパニ | 寿命が延長されたショットキーエミッター |
| JP2010271158A (ja) * | 2009-05-21 | 2010-12-02 | Japan Ae Power Systems Corp | 電子線源用フィラメント構造体 |
| WO2011142054A1 (ja) * | 2010-05-10 | 2011-11-17 | 電気化学工業株式会社 | 電子源 |
| JP2011238459A (ja) * | 2010-05-10 | 2011-11-24 | Denki Kagaku Kogyo Kk | 電子源 |
| US8593048B2 (en) | 2010-05-10 | 2013-11-26 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Electron source having a tungsten single crystal electrode |
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