JPH0794072A

JPH0794072A - 電子ビーム照射用の熱陰極およびその熱陰極の製造方法およびその熱陰極を用いた電子ビーム加工装置

Info

Publication number: JPH0794072A
Application number: JP17093394A
Authority: JP
Inventors: Toshikazu Sugimura; 俊和杉村; Kazunori Narita; 万紀成田; Yutaka Kawase; 豊河瀬; Tsuyoshi Nakamura; 強中村; Hisanori Ishida; 寿則石田
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; NEC Corp; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; NEC Corp; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 1995-04-07

Abstract

(57)【要約】【目的】熱陰極の加熱温度を約１５００℃〜１８００
℃程度で、かつ、１０^-2〜１０^-3Ｐａ程度の低真空雰囲
気中で電子ビームを安定に照射する。【構成】２４００℃以上の融点を有する金属、また
は、その金属を主成分とする合金、または、その金属の
炭化物、または、その金属のホウ化物、または、ジルコ
ニウムの炭化物、または、ジルコニウムのホウ化物のう
ち選ばれた少なくとも１種の耐イオン衝撃性高融点耐熱
物質２と、ランタン、イットリウム、セリウム、セシウ
ムから選ばれた少なくとも１種のホウ化物または酸化物
から選ばれた低仕事関数を有する電子放射物質３とを加
熱・加圧によって一体化した熱陰極１を電子ビーム加工
装置に用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低真空雰囲気中でイオ
ン衝撃の強い雰囲気において、被加工物に電子ビームを
照射することにより、金属等の溶融、接合、孔あけ及び
アニール等の加工を行う電子ビーム加工装置に用いられ
る熱陰極に関する。また、その熱陰極の製造方法に関す
る。また、その熱陰極を用いた電子ビーム加工装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子ビーム照射用カソードの熱陰
極としては一般的に酸化物、ホウ化ランタン、高融点金
属等が使用されていた。例えば、電気学会技術報告（II
部）第１４７号（社団法人電気学会編１９８３年４月
発行）第１頁から第４２頁に開示されているように、金
属等の溶融、接合、孔あけおよびアニール等の加工を行
う電子ビーム加工装置におけるカソードの熱陰極とし
て、タングステンまたはタンタル等の高融点金属あるい
はホウ化ランタンが用いられていた。

【０００３】ところが、前述の高融点金属は仕事関数が
大きい。したがって、この高融点金属を熱陰極として用
いる場合には、この高融点金属を非常に高温に加熱する
必要があった。例えば、タングステンを直接加熱型の熱
陰極として用いた場合、この熱陰極を２５００〜２６０
０℃程度の高温に加熱する必要があった。そのため、こ
のタングステン熱陰極としては、タングステンを細い線
形のヘアピン状にするか、または、薄肉のリボン状にし
て、そのタングステンを直接加熱する方法を取ってい
た。また、そのほかに、棒状のタングステンの周囲にタ
ングステンフィラメントを巻いて、このタングステンフ
ィラメントからでる電子で棒状のタングステンを加熱す
る方法を取っていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のタングステンを
直接加熱する方法では、タングステンが細径あるいは薄
肉であるため、使用時にこのタングステンが蒸発するこ
とによる損耗が比較的速く進行していた。さらに、被加
工物に電子ビームを照射しているときに、被加工物から
飛翔してくる金属蒸気等によるイオン衝撃によって比較
的短時間でタングステンが局所的に穿孔されていた。こ
れらの結果、タングステン熱陰極を、頻繁に交換しなけ
ればならないという問題があった。

【０００５】また、棒状のタングステンをタングステン
フィラメントからでる電子で加熱する方法では、前述の
イオン衝撃に対しては強いものの、構造が複雑になって
しまうという問題点があった。さらに、熱陰極の寿命が
作動雰囲気にしたがって著しく変化するフィラメントの
寿命に依存してしまうという問題点もあった。

【０００６】ここで、ホウ化ランタンを陰極材料として
用いれば、タングステン熱陰極と同程度の電子ビームを
得るのに、１５００〜１８００℃に熱陰極を加熱すれば
よい。したがって、陰極加熱に要する電力を著しく低減
することができる。

【０００７】しかしながら、このホウ化ランタン陰極で
は、タングステン陰極と比較して、ビーム電流値の経時
変化が大きいという問題があった。さらに、前述のイオ
ン衝撃に非常に弱く、このイオン衝撃が原因でホウ化ラ
ンタン陰極上に生じるクレータのために、ビーム形状が
経時的に変化してしまうという問題点もあった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明の熱陰極は、２４００℃以上の融点を有す
る金属、または、その金属を主成分とする合金、また
は、その金属の炭化物、または、その金属のホウ化物、
または、ジルコニウムの炭化物、または、ジルコニウム
のホウ化物のうち選ばれた少なくとも１種の耐イオン衝
撃性高融点耐熱物質と、ランタン、イットリウム、セリ
ウム、セシウムから選ばれた少なくとも１種のホウ化物
または酸化物から選ばれた低仕事関数を有する電子放射
物質とを含んで一体化している。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

【００１０】図１において、本発明の一実施例の熱陰極
１は、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質２と、イットリウ
ムホウ化物、ランタンホウ化物、セリウムホウ化物、セ
シウム酸化物またはセシウムホウ化物から選ばれた低真
空（例えば、１０^-2〜１０^-3Ｐａ程度）かつ低温（例え
ば、１５００℃〜１８００℃程度）で動作可能な低仕事
関数を有する電子放射物質３とを含んでいる。

【００１１】イオン衝撃に対して高い耐性を有している
高融点耐熱物質２としては用いることができる物質は、
実用上融点が２０００℃以上でなければならない。特
に、この高融点耐熱物質２としては、２４００℃以上の
融点を有している金属（例えば、タングステン、レニウ
ム、オスミウム、タンタル、モリブデン、ニオブおよび
イリジウム）、または、これらの高融点耐熱金属を主成
分とする合金、または、これらの高融点耐熱金属の炭化
物、または、これらの高融点耐熱金属のホウ化物がより
好適である。また、ジルコニウムは、金属としては融点
が低いが、その炭化物およびホウ化物は融点が３０００
℃以上であるので、高融点耐熱物質２として用いること
ができる。

【００１２】次に、本発明の熱陰極を熱間等方加圧（Ｈ
ｏｔＩｓｏｓｔａｔｉｃＰｒｅｓｓｉｎｇ以下、
ＨＩＰとする）処理によって製造する方法を図２から図
４を参照して説明する。

【００１３】まず、第１の実施例として、タングステン
とホウ化ランタンとを含む熱陰極の製造方法を説明す
る。平均粒径４μｍのタングステン粉末と平均粒径１μ
ｍのホウ化ランタン粉末とを体積比で５：５になるよう
にそれぞれ１００ｇと２４．５ｇとを乾式混合する。得
られた混合粉末を約２０００ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力でラ
バープレス成形し、直方体形状の成形体４を得る。

【００１４】次に、図２に示すように、成形体４を所望
の温度（例えば、７７０℃）で軟化するガラス製容器５
（例えば、パイレックス社製のガラス製容器）に収納す
る。そして、そのガラス製容器５内に酸化アルミニウム
粉末６を充填し、かつ、そのガラス製容器５内を真空に
してカプセル封入工程を終了する。

【００１５】次に、真空封入したガラス製容器５を図３
に示すようにＨＩＰ処理装置７内に収容する。そして、
図４に示す昇温、昇圧スケジュールでＨＩＰ処理するこ
とにより一体化物質が得られる。ここで、昇温・昇圧ス
ケジュールをさらに詳細に説明する。はじめにガラス製
容器５が軟化する７７０℃まで３００℃／ｈの割合で昇
温する。その後、その状態を４０分間保持し、完全にガ
ラス製容器５を軟化させる。圧力の方は、加熱温度が７
７０℃に達した時点から５分間で１００ｋｇｆ／ｃｍ²
まで加圧し、その後の６０分間で２００ｋｇｆ／ｃｍ²
の割合で加圧する。そして、最終ＨＩＰ処理条件である
１３００℃および１５００ｋｇｆ／ｃｍ²の加熱・加圧
状態を得た後、その状態を９０分間保持する。また、こ
の時のＨＩＰ処理装置７内の処理雰囲気は、アルゴンガ
ス雰囲気とする。

【００１６】このようなＨＩＰ処理により得られた一体
化物は所定の形状に加工されて熱陰極として用いられ
る。

【００１７】なお、成形体４を収納する容器としてガラ
ス製容器５を用いたが、最終ＨＩＰ処理条件における加
熱温度よりも低い軟化点を有する物質を材料とする容器
を用いてもよい。したがって、成形体４を収納する容器
は、ガラス製に限られたものではなく、アルミ、軟鋼お
よび銅等の金属製でもかまわない。成形体４を収納する
容器の材質に前記金属を用いた場合は、ガラス製容器を
用いた場合と異なり、ＨＩＰ処理において、成形体４を
収納した容器が軟化する前に、ある程度の圧力をその容
器に加えても差し支えない。

【００１８】また、成形体４を収納する容器５には酸化
アルミニウム粉末６を充填するように説明した。しか
し、この容器５内に、成形体４とともに充填される物質
は酸化アルミニウム粉末６に限定されるものではない。
容器５に充填される物質としては、成形体４および容器
５と反応しない物質、例えば、窒化ホウ素、酸化ジルコ
ニウム粉末等でもかまわない。そして、容器５に充填さ
れる物質は、ＨＩＰ処理条件に合わせて任意に選択され
る。

【００１９】以上説明したＨＩＰ処理では、成形体４の
内部の加圧状態を均一にすることができる。したがっ
て、このＨＩＰ処理によって得られた一体化物の内部組
織は均一なものとなり、電子放射特性を非常に安定なも
のにすることができる。

【００２０】以上の説明では、タングステン粉末とホウ
化ランタン粉末との一体化物の製造方法を示した。ここ
で、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質および電子放射物質
として、前述した物質から他の物質を選んで、熱陰極を
製造する場合も、最終ＨＩＰ処理条件を所望の処理条件
に変更する等の諸条件を変更する以外は、前述のタング
ステンとホウ化ランタンとの組合せの場合と同様の処理
を行えばよい。。例えば、第２の実施例として、体積比
で５：５になるように用意された平均粒径４．５μｍの
タングステンカーバイド粉末１００ｇと平均粒径１μｍ
のホウ化ランタン粉末３２ｇとをＨＩＰ処理により一体
化する場合について説明する。この場合、それぞれの粉
末を乾式混合した後、その混合粉末に対して最終ＨＩＰ
処理条件を１４００℃、２０００ｋｇｆ／ｃｍ²、９０
分間のアルゴンガス雰囲気として前述と同様のＨＩＰ処
理を行えば一体化物が得られる。

【００２１】次に、第３の実施例として、体積比で５：
５になるように用意された平均粒径２μｍのタンタルカ
ーバイド粉末１００ｇと平均粒径１μｍのホウ化ランタ
ン粉末３２ｇとをＨＩＰ処理により一体化する場合につ
いて説明する。この場合、それぞれの粉末を乾式混合し
た後、その混合粉末に対して最終ＨＩＰ処理条件を１４
５０℃、１５００ｋｇｆ／ｃｍ²、９０分間のアルゴン
ガス雰囲気として前述と同様のＨＩＰ処理を行えば一体
化物が得られる。

【００２２】次に、第４の実施例として、体積比で５：
５になるように用意された平均粒径７μｍのホウ化ジル
コニウム粉末１００ｇと平均粒径１μｍのホウ化ランタ
ン粉末７７．５ｇとをＨＩＰ処理により一体化する場合
について説明する。この場合、それぞれの粉末を乾式混
合した後、その混合粉末に対して最終ＨＩＰ処理条件を
１４５０℃、１５００ｋｇｆ／ｃｍ²、９０分間のアル
ゴンガス雰囲気として前述と同様のＨＩＰ処理を行えば
一体化物が得られる。

【００２３】また、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質と電
子放射物質とを一体化させるに際し、その一体化された
熱陰極が加工・加熱される際に破壊されない程度の強度
を有するように、ＨＩＰ処理の加熱・加圧の条件を適時
変更させる必要がある。特に、その最終ＨＩＰ処理条件
として、加熱温度１０００℃以上、圧力２００ｋｇｆ／
ｃｍ²以上の組合せが必要である。その理由を説明す
る。まず、ＨＩＰ処理の際に、２００ｋｇｆ／ｃｍ²未
満しか加圧しなかった場合、耐イオン衝撃性高融点耐熱
物質と電子放射物質とを一体化させるためには、電子放
射物質の融点近くまで加熱しなければならない。しかし
ながら、この加熱により、電子放射物質の電子放射特性
を著しく劣化させてしまう。また、ＨＩＰ処理の際に、
加熱温度が１０００℃未満の場合、耐イオン衝撃性高融
点耐熱物質と電子放射物質とを一体化させるためには高
圧を必要とする。しかしながら、一般に普及しているＨ
ＩＰ処理装置での最高圧力である２０００ｋｇｆ／ｃｍ
²では耐イオン衝撃性高融点耐熱物質と電子放射物質と
を一体化させることはできない。

【００２４】さらに、前述のＨＩＰ処理において用いら
れる耐イオン衝撃性高融点耐熱物質の粉末および電子放
射物質の粉末の平均粒径は上記の各実施例に限定される
ものではない。例えば、タングステン、タングステンカ
ーバイド、タンタルカーバイド、ホウ化ジルコニウムの
各粉末の平均粒径は１〜１０μｍの範囲、また、ホウ化
ランタン粉末の平均粒径は０．５〜１５μｍの範囲から
選択しても何等問題は生じない。

【００２５】また、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質およ
び電子放射物質の熱陰極における体積比も前述の各実施
例で示された５：５に限定されるものではない。この耐
イオン衝撃性高融点耐熱物質と電子放射物質との熱陰極
における体積比は、５：９５から９５：５の範囲内で変
化させてもかまわない。その理由について簡単に説明す
る。一体化された熱陰極における電子放射物質の割合が
９５％以上になると、この熱陰極は、イオン衝撃に対し
て高融点耐熱物質が役割を果たさず、イオン衝撃に対す
る耐性が電子放射物質とほとんど同じ特性になってしま
う。また、熱陰極における電子放射物質の割合が５％以
下になると、その熱陰極は、必要な電子ビーム電流を放
出させることができなくなる。

【００２６】さらに、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質お
よび電子放射物質の熱陰極におけるより好適な体積比に
ついて説明する。例えば、タングステンカーバイドとホ
ウ化ランタンとを一体化した熱陰極を電子ビーム加工装
置の電子ビーム照射源として用いた場合には、そのタン
グステンカーバイドとホウ化ランタンとの熱陰極におけ
る体積比は、２５：７５から６５：３５の範囲内である
ことが好ましい。なぜならば、体積比で３５％以上のホ
ウ化ランタンを含む熱陰極では放出ビーム電流の安定性
を３％以内に抑えることができるためである。また、ホ
ウ化ランタンの体積比が７５％以上である熱陰極では、
耐イオン衝撃性高融点耐熱物質の割合が減少するため
に、イオン衝撃に対する耐性が下がってしまう。その結
果、ホウ化ランタンの消耗が激しくなるために熱陰極の
電子放射面が損耗とともに後退することになる。そし
て、この電子放射面の後退に従って電子銃によって形成
されるクロスオーバ位置がずれてしまい、このズレを特
に補正しない場合には、照射電子ビームの焦点ぼけ及び
電子ビーム電流の変化を引き起こし、電子ビームの特性
上非常に好ましくない。したがって、タングステンカー
バイドとホウ化ランタンとを一体化した熱陰極に含まれ
るホウ化ランタンの体積比は３５％以上７５％以下が好
ましい。

【００２７】以上、耐イオン衝撃性高融点耐熱物質と電
子放射物質とを一体化させるための加熱・加圧処理とし
て前述のＨＩＰ処理を説明したが、そのＨＩＰ処理の代
わりに熱間一軸加圧処理でもかまわない。

【００２８】この熱間一軸加圧処理による熱陰極の製造
方法について図５を参照して説明する。

【００２９】耐イオン衝撃性高融点物質としてタングス
テンカーバイドを、そして、電子放射物質としてホウ化
ランタンを用いる。まず、平均粒径４．５μｍのタング
ステンカーバイド粉末と平均粒径１μｍのホウ化ランタ
ン粉末を体積比で５：５になるようにそれぞれ１００ｇ
および３０ｇを乾式混合する。乾式混合して得られた混
合粉末１１を、窒化ホウ素１０を塗布したグラファイト
パンチ８およびグラファイトダイ９からなるグラファイ
ト型内に挿入する。そして、はじめに、グラファイトパ
ンチ８によって、混合粉末１１に対し、一軸方向に５０
０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力を加える。その後、その混合粉
末１１を窒素気流中で高周波加熱によって、４０℃／ｍ
ｉｎで昇温する。そして、１６００℃で１時間保持した
後、グラファイト型中で放冷する。この熱間一軸加圧処
理によって、混合粉末１１は一体化される。

【００３０】次に、第２の実施例の熱陰極（タングステ
ンガーバイドとホウ化ランタンとを熱間等方加圧処理に
よって一体化した熱陰極）およびリボンフィラメント型
タングステン熱陰極およびホウ化ランタン熱陰極をそれ
ぞれ用いて電子ビーム照射を行った場合の特性の比較結
果について図６を参照して説明する。

【００３１】まず、ビーム電流が３Ａ／ｃｍ²となる際
のそれぞれの熱陰極の温度について測定し比較した。

【００３２】熱陰極を加熱していった場合、第２の実施
例の熱陰極は、１２００℃で電子ビームを放出しはじ
め、１４００〜１４５０℃まで加熱された時点で所定の
放出電流密度３Ａ／ｃｍ²が得られた。このときの電子
ビーム照射は、真空度１×１０^- ³Ｐａで実施された。

【００３３】これに対し、タングステン熱陰極では、約
２６００℃まで加熱されなければ、所定の放出電流密度
３Ａ／ｃｍ²を得ることができない。つまり、第２の実
施例の熱陰極の熱的負荷はタングステン熱陰極と比較し
て著しく減少していることになる。

【００３４】次に、それぞれの熱陰極を用いて加速電圧
６０ｋＶ、電流４０ｍＡの電子ビームをステンレス上に
照射させ、このステンレスを溶融させて熱陰極の溶融金
属に対するイオン衝撃の耐性を観察した。ここで、図６
に示す値は、イオン衝撃耐性はイオン衝撃により穿孔さ
れた熱陰極のクレータの体積を、タングステン熱陰極で
の場合を１として比の値で示した。

【００３５】その結果、図６に示すように、第２の実施
例の熱陰極は、タングステン熱陰極とほぼ同程度のイオ
ン衝撃耐性を有している。

【００３６】これに対し、ホウ化ランタン熱陰極は、イ
オン衝撃耐性が極めて弱く、タングステン熱陰極や本発
明の熱陰極と比べて約１０倍穿孔される。そのため、こ
のホウ化ランタン熱陰極を用いて電子ビームを照射した
場合、ビーム焦点の経時変化およびビーム電流の変動が
著しい。

【００３７】次に、それぞれの熱陰極を用いて加速電圧
６０ｋＶ、電流４０ｍＡの電子ビームを連続的にステン
レス上に照射して、このステンレスを溶融させること
で、照射される電子ビームの状態を測定した。さらに、
各熱陰極の寿命も比較した。

【００３８】その結果、第２の実施例の熱陰極では、少
なくとも約２００時間程度は安定に電子ビームを放出し
た。このときのビーム電流の安定性は、約±３％であっ
た。

【００３９】これに対し、タングステン熱陰極の寿命は
同じ条件で約５０時間と短く、また、ビーム電流の安定
性は約±５％であった。また、ホウ化ランタン熱陰極の
寿命は同じ条件で約２００時間であった。しかし、この
ホウ化ランタン熱陰極の場合は、電子放射面の損耗が激
しく、ビーム電流の安定性は約±１０％と大きく、ま
た、ビーム焦点の経時変化も著しく大きかった。

【００４０】以上の比較結果により、第２の実施例の熱
陰極の優位性が証明された。この比較結果は、単に、タ
ングステンカーバイドとホウ化ランタンとを一体化した
熱陰極の優位性のみを証明したわけではない。耐イオン
衝撃性高融点耐熱物質および電子放射物質を前述の物質
から他の物質を選んだ組合せであっても、従来のタング
ステン陰極およびホウ化ランタン陰極と比較して十分な
優位性をもつ。

【００４１】次に、本発明の第５の実施例について図７
を参照して説明する。

【００４２】前述の第１、または、第２の実施例の熱陰
極では、含有する電子放射物質が高温に加熱されること
により熱陰極全面から蒸発する。そこで、この電子放射
物質が熱陰極の全面から蒸発してしまうのを極力抑える
手段を備える熱陰極について説明する。

【００４３】図７に示すように、熱陰極１の電子放射面
１２以外の全ての表面には、コーティング膜１３が形成
されている。このコーティング膜１３は、スパッタによ
りタングステンを数百オングストロームの厚さでデポジ
ットしたものである。そして、このコーティング膜１３
は、電子放射物質が蒸発する表面積を減少させることが
でき、蒸発による電子放射物質の損耗速度を遅らせるこ
とが可能となる。

【００４４】ここで、コーティング膜１３としてタング
ステンを用いたが、このコーティング膜１３の材料はタ
ングステンに限定されるものではない。コーティング膜
１３は、熱陰極の動作温度が１４００〜１８００℃であ
るため、この温度以上の融点を有する物質である必要が
ある。特に、コーティング膜１３の強度等を考慮すると
融点が２４００℃以上の物質を用いた方が好適である。
２４００℃以上の融点を有している高融点耐熱物質とし
ては、タングステンの他に、レニウム、オスミウム、タ
ンタル、モリブデン、ニオブ、イリジウム等の金属、ま
たは、それら金属を主成分とする合金、または、それら
金属の炭化物、または、それら金属のホウ化物から選ば
れた少なくとも１種の物質であればよい。また、窒化ホ
ウ素、酸化アルミニウムおよび酸化ジルコニウム等もコ
ーティング膜１３の材料として用いることができる。

【００４５】コーティング膜１３に前記金属を含む材料
を用いた場合、耐イオン衝撃性が強いため、コーティン
グ膜１３が長時間、その機能を果たす。しかし、コーテ
ィング膜１３が電子ビーム加工装置の陽極との間で放電
を起こすことがある。この放電現象は、ビーム電流を変
動させ、照射される電子ビームを不安定にさせる。これ
に対し、コーティング膜１３に、窒化ホウ素、酸化アル
ミニウムおよび酸化ジルコニウム等の絶縁体または準絶
縁体を用いた場合、安定な電子ビームを照射できる。つ
まり、このコーティング膜１３では、前記金属を用いた
コーティング膜ほど長時間、その機能を果たすことはで
きないが、放電による電子ビーム電流の変動がないため
に、極めて安定な電子ビームを照射することができる。

【００４６】また、コーティング膜１３の膜厚は数百オ
ングストロームに限定されるものではなく、数十オング
ストロームから数μｍの範囲であれば十分に電子放射物
質の蒸発防止効果が得られる。

【００４７】また、コーティング膜１３は完全緻密であ
る必要はなく一部デポジションされていない部分が生じ
ても実効的に問題はない。

【００４８】また、デポジションの手段としてはスパッ
タに限定されるものではなく、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａ
ｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の他の膜形
成手段によって、コーティング膜１３をデポジットして
もかまわない。

【００４９】次に、本発明の第６の実施例について図８
を参照して説明する。

【００５０】耐イオン衝撃性高融点耐熱物質であるタン
グステンカーバイドと、電子放射物質であるホウ化ラン
タンとを加熱・加圧によって一体化させた熱陰極の表面
は、ホウ化タングステンで覆われている。熱陰極は、ホ
ウ化タングステンによって電子放射面が覆われているの
で、ホウ化ランタンからの電子放射が妨げられている。

【００５１】第６の実施例では、図８に示すように、タ
ングステンカーバイドとホウ化ランタンとを加熱・加圧
により一体化した熱陰極１５をドライエッチング装置１
４内に収容する。そして、熱陰極１５の電子放射面１６
を低真空空気雰囲気下で約１時間、直流電圧を８００Ｖ
印加してドライエッチングする。このとき、ドライエッ
チング装置１４内の真空度は１０-1Ｐａとする。このよ
うに、電子放射面１６をドライエッチングすることで、
その電子放射面１６を覆っていたホウ化タングステンを
雰囲気ガスと反応させる。そして、そのホウ化タングス
テンを蒸発、昇華または脱落させて、電子放射面１６に
ホウ化ランタンを出現させる。

【００５２】通常、熱陰極を活性化させる場合、その熱
陰極を電子ビーム加工装置内に搭載し、１４００℃程度
の加熱で約１時間を要する。これに対し、ドライエッチ
ングされた電子放射面１６を有する熱陰極１５では、１
４００℃程度の加熱を約５分間行うことで活性化するこ
とができる。

【００５３】次に、本発明の第７の実施例について図９
および図１０を参照して説明する。

【００５４】本発明の熱陰極、例えば、タングステンカ
ーバイドとホウ化ランタンとを熱間等方加圧処理によっ
て一体化して得られた熱陰極を電子ビーム加工装置に用
いた場合について説明する。

【００５５】図９に示すように、電子ビーム加工装置に
用いられる電子銃は、カソード１７、バイアス電極１８
およびアノード１９を備える。カソード１７は、熱陰極
２０と、この熱陰極２０を挟持し加熱する一対のヒータ
２１、２１’とを備える。また、そのカソード１７は、
ヒータ２１、２１’を機械的に支持するとともに、熱陰
極２０を通電加熱するための回路を構成する一対のステ
ム２２、２２’、クランプネジ２３、２３’および絶縁
板２４とを備える。つまり、このカソード１７は、Ｖｏ
ｇｅｌ型と同様の構成である。熱陰極２０は、図１０に
示すように、電子放射面２７が直径２〜３ｍｍの円形を
している。そして、ヒータ２１、２１’により、直接通
電加熱される部分２８は、加熱効率を向上させるために
通電方向に厚さを薄くした直方体形状をしている。

【００５６】そして、このような構成を有する電子銃に
おいて、まず、熱陰極２０は、通電加熱によるヒータ２
１、２１’からの熱伝導により加熱されて、電子放射面
２７から電子ビーム２５を放出する。電子放射面２７か
ら放出された電子ビーム２５は、カソード１７およびバ
イアス電極間１８に印加されたビーム電流制御電圧によ
りビーム電流量を制御される。かつ、電子ビーム２５
は、カソード１７およびアノード１９間に印加された加
速電圧により加速される。そして、その電子ビーム２５
は、アノード内の開口２６を通って、外部に照射され
る。

【００５７】この電子銃は、熱陰極の加熱温度を約１５
００〜１８００℃程度で、かつ、１０-2〜１０-3Ｐａ程
度の低真空雰囲気で電子ビームを安定的に照射すること
ができた。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱陰極
は、イオン衝撃に対する耐性を向上させる手段としての
耐イオン衝撃性耐熱物質に、電子を放出する手段として
仕事関数が比較的小さく電子放射電流密度の高い電子放
射物質を含浸させた構成である。したがって、真空度が
１０^-2〜１０^-3Ｐａ程度の低真空雰囲気で、ホウ化ラン
タン陰極と同程度の加熱温度で動作可能である。さら
に、イオン衝撃に対して耐性を有しているので、前述の
条件で、長時間、安定に電子ビームを照射することがで
きる。

【００５９】そして、本発明の熱陰極を用いた電子ビー
ム加工装置では、熱陰極の交換回数をかなり低減でき
る。さらに、この熱陰極への熱的負荷が軽減されるの
で、電子ビーム加工装置の安定性を向上させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す断面図。

【図２】本発明の熱陰極を熱間等方加圧処理によって製
造する方法を説明する断面図。

【図３】本発明の熱陰極を熱間等方加圧処理によって製
造する方法を説明する断面図。

【図４】熱間等方加圧処理の製造工程における加熱・加
圧処理のスケジュールを示す図。

【図５】本発明の熱陰極を熱間一軸加圧処理によって製
造する方法を説明する断面図。

【図６】本発明の第２の実施例の熱陰極と従来の熱陰極
との特性を比較した結果を示す表。

【図７】本発明の第５の実施例を示す断面図。

【図８】本発明の第６の実施例の熱陰極の製造工程を示
す断面図。

【図９】本発明の電子ビーム加工装置の構成を示す断面
図。

【図１０】図９で示した電子ビーム加工装置に用いられ
る熱陰極を示す斜視図

【符号の説明】

１熱陰極２耐イオン衝撃性高融点耐熱物質３電子放射物質４成形体５ガラス製容器６酸化アルミニウム粉末７ＨＩＰ処理装置８グラファイトパンチ９グラファイトダイ１０窒化ホウ素１１混合粉末１２電子放射面１３コーティング膜１４ドライエッチング装置１５熱陰極１６電子放射面１７カソード１８バイアス電極１９アノード２０熱陰極２１ヒータ２２ステム２３クランプネジ２４絶縁板

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２４００℃以上の融点を有する金属、ま
たは、その金属を主成分とする合金、または、その金属
の炭化物、または、その金属のホウ化物、または、ジル
コニウムの炭化物、または、ジルコニウムのホウ化物の
うち選ばれた少なくとも１種の耐イオン衝撃性高融点耐
熱物質と、ランタン、イットリウム、セリウム、セシウムから選ば
れた少なくとも１種のホウ化物または酸化物から選ばれ
た低仕事関数を有する電子放射物質とを含み一体化した
ことを特徴とする熱陰極。
【請求項２】前記耐イオン衝撃性高融点耐熱物質と、
前記電子放射物質とを熱間等方加圧処理によって一体化
したことを特徴とする前記請求項１に記載の熱陰極。
【請求項３】反応ガス雰囲気下でドライエッチングさ
れた電子放射面を有することを特徴とする前記請求項１
に記載の熱陰極。
【請求項４】前記耐イオン衝撃性耐熱物質と前記電子
放射物質との体積比を５：９５から９５：５の範囲内で
一体化したことを特徴とする前記請求項１に記載の熱陰
極。
【請求項５】前記電子放射物質が電子放射面以外の面
から蒸発することを防止する蒸発防止手段を有すること
を特徴とする前記請求項１に記載の熱陰極。
【請求項６】前記蒸発防止手段は、前記熱陰極の電子
放射面以外の表面に２４００℃以上の融点を有する物質
を含む材料で形成されたコーティング膜であることを特
徴とする前記請求項５に記載の熱陰極。
【請求項７】２４００℃以上の融点を有する金属、ま
たは、その金属を主成分とする合金、または、その金属
の炭化物、または、その金属のホウ化物、または、ジル
コニウムの炭化物、または、ジルコニウムのホウ化物の
うち選ばれた少なくとも１種の耐イオン衝撃性高融点耐
熱物質と、ランタン、イットリウム、セリウム、セシウムから選ば
れた少なくとも１種のホウ化物または酸化物から選ばれ
た低仕事関数を有する電子放射物質とを加熱・加圧によ
って一体化することを特徴とする熱陰極製造方法。
【請求項８】前記耐イオン衝撃性高融点耐熱物質と、
前記電子放射物質とを熱間等方加圧処理によって一体化
することを特徴とする前記請求項７に記載の熱陰極製造
方法。
【請求項９】前記熱間等方加圧処理は、高融点耐熱物質の粉末と電子放射物質の粉末とを所定の
体積比で乾式混合し、その混合物に圧力をかける第１の
ステップと、圧力をかけられた前記混合物を容器に収納し、その容器
内に前記混合物および前記容器と反応しない物質を充填
した後、その容器を封入する第２のステップと、前記容器に対し１０００℃以上の加熱および２００ｋｇ
ｆ／ｃｍ2以上の加圧を行う第３のステップとを含むこ
とを特徴とする前記請求項８に記載の熱陰極製造方法。
【請求項１０】２４００℃以上の融点を有する金属、
または、その金属を主成分とする合金、または、その金
属の炭化物、または、その金属のホウ化物、または、ジ
ルコニウムの炭化物、または、ジルコニウムのホウ化物
のうち選ばれた少なくとも１種の耐イオン衝撃性高融点
耐熱物質と、ランタン、イットリウム、セリウム、セシ
ウムから選ばれた少なくとも１種のホウ化物または酸化
物から選ばれた低仕事関数を有する電子放射物質とを加
熱・加圧によって一体化した熱陰極を電子ビーム照射源
とすることを特徴とする電子ビーム加工装置。