DE3120454A1 - Feldemissionskatode - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft die Erniesionselektronik und insbesondere Feldemissionskatoden.

Die vorliegende Erfindung kann mit Erfolg in Elektronenmikroskopen, Auger-Spektrometern und anderen elektronischen fSinrichtungen angewendet werden, bei denen ein hochintensiver Strahl kleinen Durchmessers ausgenutzt wird.

In Industrieanlagen, speziell in Elektronenmikroskopen, sind Spitzen-Feldeniissionskatoden (Prospekt der österreichischen Fi ['ma "Reieherlwerke Wien", 1978) bekannt, die einen einkristallinen Wolframdraht mit einem Durchmesser von ca. 0,2 mm darstellen, der am Ende bis zu einem Radius von
1O~ bis 10 ** cm zugespitzt und an der Seitenfläche eines
Wolfra.'ustiftes befestigt int, der zugleich als Spitzenhalter und -erhitzer bei Herstellung und Betrieb der Katode dient-

Die Katode derartiger Konstruktion sorgt für die Erhaltung eines für die Lösung vieler Aufgaben notwendigen Pegels der Stromentnahme und der elektronischen Helligkeit. In einei Rastermikroskop CWIKSan/100 der Firma "Reichertwerke" er-

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reicht die Dichte der Stromentnahme von der Katode 10' A/cm ,

Die Einschränkungen in der Anwendung dieser Katode hängen mit folgenden Paktoren zusammen:

- Wolfram weist eine hohe Austritt^arbeit auf, deshalb
muß die Katode zur Erzeugung einer zur Einleitung einer Feldelektronenemission erforderlichen Feldstärke bei einer mäßigen Anodenspannung über einen sehr hohen Krümmungswert der
Emissionsfläche verfügen; darüber hinaus ist das Wolfram ein chemisch, und in Bezug auf die Sorptionsfähigkeit hochaktives

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Element, deshalb ist ein stabiler Betrieb einer Wolfxamspitzenkato.de nur unter den Bedingungen eines Ultrahoch-

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Vakuums von 10 bis 10 * Pa möglich, sonst nutzt sich das scharf zugespitzte Ende unter der Wirkung des Jonenbeschusses einerseits schnell ab (wird stumpf), was eine Änderung des Katodenstroms nach sich zieht, und ttndererseits führen die Vorgänge dar Sorption und der chemischen Reaktion mit Restgasen zu einer Erhöhung der Austrittsarbeit z.B. bis auf 6,15 eV unter Ausbildung einer Oxydschicht WO₇. von Wolfram auf dessen Oberfläche, während die Erzeugung

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des Vakuums von 10 bis 10 ^ Pa im gesamten Strahlengang eine komplizierte Aufgabe darstellt, die keine zuverlässige verfahrenstechnische Lösung besitzt;

- erzwungene Arbeit mit den scharf zugespitzten Emittern führt dazu, daß selbst bei ErfIi]lung von Forderungen sowohl nach der Helligkeit als auch nach der Stromdichte der von der Katode abgenommene Gesamtstrom wegen der geringen Emissionsfläche klein ist. Der stationäre Strom liegt in einem in der Elektronenoptik verwendeten Raumwinkel von

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beispielsweise χ" ₌ 10 rad unterhalb von 100 idA, während er im Fleck auf der zu bearbeitenden Oberfläche infolge dessen unvermeidlicher Verringerung durch die Kolonnenoptik noch geringer ist.

Die Anwendung derartiger Katoden mit einen, geringen Strom im Fleck der Rastermikroskope hat eine Begrenzung des Auflösungsvermögens, und bei Geräten für die elektronische Ivasterlithografie ein'e niedrige Leistung, bei. der Resistbeliohtung zur Folge.

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Für Elektronenmikroskope und andere Einr ichtungen^ bei denen ein Strahl sehr kleinen Durchmessers ausgenutzt wird, ist eine Spitzenkatode (H. Shimizu, H. Hojoh. Transition Idetal Carbide Emitters Cunky, 1977, V.20,N.l, S. 17 bis 14) aus dem Karbid eines Übergangsmetalls, speziell aus TitaJjkarbid, bekannt.

Es ist bekannt, daß manche fcetallkarbide, wie sie ZrC, 'PiC, HfC, TaC sind, eine gegenüber Wolfr.un um 1,0 bis 1,5 eV niedrigere Austrittsarbeit- besitzen,und um Größenordnungen beständiger gegen einen Ionenbeschuß und eine Einwirkung von Elementen eines Regt medium,? sind.

Die Katode weist eine Kegelform mit einem Grundflächendurchmesser von 0,25 bis 0,3 mm auf und wird an der Seitenfläche eines in Form eines Stiftes auegeführten Halters befestigt. Obwohl diese Katode eine KegelformTaufweist 'und aus einem gegen einen.Ionenbeschuss widerstandsfähigeren Werkstoff mit einer geringeren Austrittsarbeit hergestellt ist, wird sie zwar in geringerem Maße als eine Wolframkatode unter der Wirkung des Ionenbeschusses stumpf. Die Hauptbegrenzung dieser Xatodenkonstruktion, die inre praktische Anwendung unmöglich macht, ist eine unvermeidliche Exzentrizität bei der Befestigung des Emitters am Halter, die mit der Form des Emitters in Gestalt eines Kegels mit dem Grundflächendurchmesser von 0,25 bis 0,3 mm und mit deren steiler Verjüngung in Richtung der Spitze bis zu 10 bis 10 -* cm zusammenhängt. Es ist wegen der übermäßigen Brüchigkeit und Härte dieses Werkstoffes unmöglich, eine niniaturisierte und für eine Befestigung geeignetere

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Form aus Karbid durch Ausschneiden aus einem Einkristallstück herzustellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine FeIdemissionskatode zu schaffen, bei der durch eine konstruktive Ausführung des Emitters deren Beständigkeit gegen einen Ionenbeschuß, der Strom in einem durch die Elektronenoptik festgelegten Raum/iinkel erhöht und die Exzentrizität verringert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelost, daß bei der Feldemis-r sionskatode, die einen an einem in Form eines Drahtstiftes hergestellten Metallhalter befestigten Emitter enthält, gemäß der Erfindung der Emitter aus einem Fadenkristall einer metallähnlichen Verbindung ausgeführt und in einer an der Spitze des Stiftes längs der Achse des Drahtes liegenden Vertiefung befestigt ist.

Hierbei kann der Emitter sowohl aus einem Fadenkristall des Karbids eines Metalls als auch aus einem Fadenkristall des Borids eines Metalls hergestellt sein.

Die mit der Verwendung des Fad enkr ist alls einer metallähnlichen Verbindung als Emitter zusammenhängende Erhöhung der Beständigkeit der Katode gegen einen Ionenbeschuß gestattet es, die Betriebsstabilität der Katode durch Herabsetzung der Stromfluktuationen auf einen Wert 'von 2,5 bis 5 %, die Lebensdauer der Katode und die Dauer eines rtörungsfreien Betriebes der gesamten Apparatur im ganzen zu erhöhen.

Mit einem Anstieg- des Gesamtstroms im Fleck der zu bearbeitenden Oberfläche hängt '«ine beträchtliche Verbesserung der Parameter der Apparatur, wie sie die Auf losing der Klektronenmikroskope und die Leistung der Anlagen fur eine

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elektronische Lithografie sind, und mit einer Verringerung der Exzentrizität eine einfache und exakte Einstellung und Justierung der Katode in der Kolonne zusammen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Feldemissionskatode.

Die Feldemiesionselektrode enthält einen aus einem Fadenkristall einer metallähnlichen Verbindung hergestellten Emitter 1 und einen einen Drahtstift 2 darstellenden detailhalter. Der Emitter 1 ist in einer an der Spitze des Stiftes 2 längs der Achse 3 äes Drahtes ausgeführten Vertiefung befestigt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Als Emitter 1 wirkt ein Fadenkristall aus Tantalkarbid mit einem Durchmesser von 1 /^m, der in einer Vertiefung an der Spitze des Stiftes 2 längs der Achse 3 des Drahtes vom Stift 2 befestigt ist. Das Material des Stiftes 2 ist eine Wolfrain-Rhenium-Legierung mit einem Bheniuiogehalt von 20 %. Der Durchmesser des Drahtes ist gleich 0,2 Hm. Der Emitter 1 überragt den Stift 2 um eine Höhe von ungefähr 50 U m· Die Emissionsfläche des Pad enkr ist alls hat die Form einer Hemisphäre.

Die Prüfungen der Katode* wurden in einer Ultrahochvakuumanlage mit einem Endvakuum von 10 Pa durchgeführt. Vor den Prüfungen wurde die Anode einer Prüfdiode bei einer Tem-

peratux von 1OOO°C und deren Katode bei einer Temperatur von 2000⁰C durchgeglüht. Der von der Katode abgenommene Gesamtstrom beträgt 1 bis 5 mA· ^De^ berechnete Strom beläuft sich in einem Raumwinkel von 10 rad auf 100 pt A, ist also um das 1000-fache größer als bei einer Wolframkatode. Der Fluktuationspegel des Emissionsstroms ist nicht höher als 2% des Mittelwertes.. Die Katoden der erfindungsgemäßen Konstruktion arbeiten unter den oben beschriebenen Verhältnissen ohne Parameteranderung mehrere hundert Stunden lang.

Beispiel 2

Als Emitter 1 dient ein ^aden:nonokristall aus Lanthanhexaborid, der einen im Schnitt ein Quadrat mit einer Kantenlänge von ca. IAm aufweisenden Vierkant darstellt. Der Emitter 1 ist in einer Vertiefung an der Spitze des Stiftes 2 befestigt und überragt dessen Oberfläche um 20 um. Die Emissionsfläche des Pad enkr ist alls hat die !Form einer Hemisphäre .

Die Prüfungen der Katode wurden in einer Ultrahochvakuumanlage la it einem End vakuum von 10" Pa durchgeführt. Die Anode wurde vor den Prüfungen bei einer Temperatur 1000⁰C, die Katode mit einer Dauerlagerung bei HOO⁰C durchgeglüht. Der gesamte Eatodenstrom betrug 1 bis 5 mA, eeine Stabilität 2 % vom Mittelwert. Die Katoden der erfindungsgemäßen Konstruktion arbeiten unter den oben beschriebenen Verhältnissen ohne Parapeteränderung mehrere hundert Stunden lang.

Die Fadenkristalle haben eine Länge, die deren Querabinc^simg um Größenordnungen übertrifft. Sie können die Form regelmäßiger Zylinder oder von Vierkanten mit einem Schnitt

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in Gestalt von Quadraten, Recht-, Vielecken aufweisen.

Der Emissionsfläche wird mit speziellen Methoden die Form einer Hemisphäre gegeben.

Bekanntlich sind die Fadenkristalle die festesten- Gefügearten der Werkstoffe,deren Festigkeit mit einer Verkleinerung des Durchmessers, insbesondere wenn der Durchmesser unter IO um abfällt, zunimmt_ä wobei in den meisten Fällen die Fadenkristalle bis zur Zerstörung elastisch verformt werden. Darüber hinaus sind die Fad enkr ist alle mancher metallähnlichen Verbindungen chemisch, inert gegenüber den Restgasen und schließlich um Größenordnungen beständiger gegen einen Ionenbeschuß als Metalle.

Dank des gleichbleibenden Querschnitts einer Faser nach der Länge des Kristalls und ihrem he mi sphärischen Abschluß erfolgt bei Einwirkung eines Ionenflusses auf die Kato de nur eine geringfügige Erniedrigung des Emitters, die von keiner grundsätzlichen Änderung der Eatodenparameter begleitet wird. Dieser Faktor bietet in Verbindung mit der gegenüber Wolfram reduzierten chemischen Aktivität und Sorptionsfähigkeit die Möglichkeit, diese Katoden im technisehen Vakuum von 1O~^ bis 10"" Pa zu betreiben.

TCegen der gegenüber Wolfram um 1,0 bis 1,5 eV erniedrigten Austrittsarbeit ist es unter Konstanthaltung des Wertes der Anodenspaonung unö des Katodenanodenabstandes und zui Erreichung der gleichen Stroindichten Kiöglich, ein Kstodeneleinent mit einem wesentlich größeren Radius an der Spitze zu verwenden. Diese Vergrößerung der Emissionsfläche führt in Verbindung mit einem erhöhten Strom im Raumwinkel

auf Grund einer Verringerung der Krümmung ihrerseits zu einer entsprechenden Vergrößerung des Gesamtstroms.

Der kleine Durchmesser derartiger Katoden und die großen spezifischen Dichten der Stromentnahme ermöglichen eine Katodenheizung durch den Emissionsstrom bis auf Temperaturen der Aktivierung der Emissionsfläche, bei denen eine thermische Autoemission, beispielsweise bei Fadenmonokristallen von Boriden, möglich wird. Mit dieser Betriebsart hängt die Möglichkeit einer weiteren Lockerung der Anforderungen an das Vakuum im Katodengcbiet bis auf 10~ bis 10 Pa zusammen.

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Claims (2)

1. Ί/, Feldemissionskatode, die einen an einem in Porra eines Drahtstiftes hergestellten Läetallhalter befestigten Emitter enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter ( 1 ) aus einem Fadenkristall einer metallähnlichen Verbind Lang ausgeführt und in einer Vertiefung an der Spitze des Stiftes ( 2 ) längs dessen Symmetrieachse O) befestigt ist.
2. 2. Peldemissionskatode nach Anspruch 1, dadurch ge kenn ζ e i chnet, daß der Emitter ( l ) aus einem Padenkristall des Karbids eines Metalls hergestellt ist. 3= Pelaemissionskatoäe nach Anspruch 1, da durch gekennz, e ichnet, dass der Emitter ( 1 ) aus einem Fädenkristall des Borids eines Metalls hergestellt ist.

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