NL8403537A - Kathodestraalbuis met ionenval. - Google Patents

Description

' f i PHN 11.206 1 N.V. Philips' Gloeilainpenfahrieken te Eindhoven.

Katbodestraalbuis met ionenval.

De uitvinding bevat een inrichting voor het opnemen of weergeven van beelden bevattende een kathodes traalbuis net in een ge-evacueerde omhulling een trefplaat en een kathode welke Inrichting verder voorzien is van middelen cm een positieve elektronenlens te vormen 5 met de kathode een eerste rooster en een schermrooster voorzien van een opening cm door de kathode geëmitteerde elektronen door te laten.

Bij een inrichting voor het opnemen van beelden is de kathode-straalbuis een earner abuis en is de trefplaat een fotogevoelige, bijvoorbeeld een fotogeleidende laag. Bij een inrichting voor het weergeven 10 van beelden kan de kathodestraalbuis een beeldbuis zijn, terwijl de trefplaat een laag of een patroon van lijnen of punten uit fluorescerend materiaal bevat. Een dergelijke inrichting kan ook ingericht zijn voor elektronenlithografische of elektronenmicroscopische toepassingen.

15 In de Nederlandse Tervisielegging No. 7905470 wordt een kathode straalbuis getoond voorzien van een zogenaamde"koude kathode". De werking van deze kathode is gebaseerd op het uittreden van elektronen uit een halfgeleiderlichaam waarin een pn-overgang zodanig in de keerrichting wordt bedreven dat lawinevermenigvuldiging van ladingsdragers optreedt.

20 Hierbij kunnen sommige elektronen zoveel kinetische energie verkrijgen als nodig is om de elektronenuittreepotentiaal te overschrijden; deze elektronen komen dan vrij aan het hoofdoppervlak van het halfgeleiderlichaam en leveren aldus een elektronenstroom.

Omdat in de geëvacueerde omhulling toch altijd restgassen 25 achterblijven, worden door de elektronenstroom uit deze restgassen negative en positieve ionen vrijgemaakt. De negatieve ionen worden in de richting van de trefplaat versneld. In het geval van elektrostatische afbuiging kunnen ze op een klein gebied van de trefplaat vallen en deze beschadigen of zijn werking verstoren. Om deze schadelijke werking 30 te voorkomen worden ionenvallen toegepast. Een ionenval voor negatieve ionen is bijvoorbeeld bekend uit het Amerikaanse Octrooischrift No. 2.913.612.

Een deel van de positieve ionen begeeft zich onder invloed van 8403537 , i- » PHN 11.206 2 in de buis heersende versnellende en focusserende velden in de richting van de kathode. Een gedeelte hiervan zal, indien geen speciale maatregelen worden genomen, de halfgeleider treffen en deze beschadigen.

Dit beschadigen kan een geleidelijk afsputteren inhouden van een eventueel aanwezig laag van elektronenuittreearbeid-verlagend materiaal zoals bijvoorbeeld cesium. Door een herverdeling of zelfs geheel verdwijnen van dit materiaal veranderen de emissie-eigenschappen van de kathode. Indien deze laag niet aanwezig is (of door het bovengenoemde sputtermechanisme geheel verwijderd is) kan zelfs het hoofdoppervlak 1Q van het halfgeleiderlichaam worden aangetast. Bij een halfgeleider-kathode, gebaseerd op lawinevermenigvuldiging van ladingdragers zoals beschreven in de Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470 waarbij de emitterende pn-overgang evenwijdig aan het hoofdoppervlak verloopt en daarvan door een dunne n-type oppervlaktezone is gescheiden is het 15 mogelijk dat ten gevolge van dit geleidelijk sputteren deze oppervlaktezone geheel verdwijnt, zodat de kathode niet langer functioneert. Bij een soortgelijk type koude kathode, zoals beschreven in de op 31 juli 1979 ter inzage gelegde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7800987 van Aanvraagster kant de pn-overgang bloot aan het hoofdoppervlak van het 2Q halfgeleiderlichaam. Ten gevolge van de hierboven beschreven beschadigende werking van in de elektronenbuis aanwezige positieve ionen kan bijvoorbeeld de plaats waar de pn-overgang aan het hoofdoppervlak vrij komt veranderen. Dit veroorzaakt een instabiel emissiegedrag.

In het tweede type kathodestraalbuis, waarbij in de halfgeleider-kathode een pn-overgang in de voorwaartsrichting wordt bedreven, de zo-genaamde negatieve elektronenaffiniteit-kathode (NEA-kathode), wordt eveneens het emissiegedrag beïnvloed doordat weer af sputteren plaatsvindt. Ook hier wordt eerst de laag van elektronenuittreearbeid-verlagend materiaal geleidelijk weggesputterd. Vervolgens wordt de pn-type opper-vlaktezone van de kathode aangetast totdat de kathode niet langer functioneert. Soortgelijke problemen gelden ten aanzien van andere halfge-leiderkathoden, zoals bijvoorbeeld de halfgeleiderkathodm beschreven in de Britse Octrooiaanvragen NO. 8133501 en No. 8133502.

Het blijkt dat door de hierboven genoemde processen de levens- duur van met dergelijke halfgeleiderkathoden vervaardigde kathodestraal-35 buizen aanzienlijk wordt verkort.

Ook bij conventionele thermische kathoden, bijvoorbeeld met barium als kathodemateriaal kan een soort sputteren plaatsvinden. Welis- 8403537 V * PHN 11.206 3 waar wordt het verlies aan barium hierbij opgevangen door toevoer van extra barium maar ten gevolge van de inhomogene aantasting (sputteren) door de positieve ionen wordt de elektronenemissie minder stabiel.

De uitvinding stelt zich ten doel een inrichting van de 5 in de aanhef genoemde sccrt te verschaffen waarbij deze bezwaren geheel of gedeeltelijk zijn opgeheven doordat de positieve ionen grotendeels worden opgevangen door het genoemde schermrooster.

Een inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk dat in projectie gezien het elektronenemitterenö deel van de kathode IQ althans gedeeltelijk buiten de opening in het schermrooster ligt en de opening in het schermrooster kleiner is dan de opening in het eerste rooster.

De uitvinding berust op het inzicht dat door deze maatregel alleen een klein gedeelte van de positieve ionen gegenereerd in het 15 tuisgedeelte voorbij het schermrooster de kathode treft. Daarnaast berust zij op het inzicht dat bij halfgeleiderkathoden met een geschikt gekozen geometrie van het emitterend gedeelte de door het schermrooster doorgelaten ionen dit emitterend gedeelte niet treffen' terwijl slechts een fractie van de ionen gegenereerd tussen kathode en schermrooster/ 2o die bovendien een geringe energie bezitten, bijdraagt tot de genoemde sputterende werking.

Een voorkeursuitvoering van een inrichting volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de kathode een halfgeleiderlichaam bevat met aan een hoofdoppervlak ten minste een elektronenemitterend gebied 25 dat in projectie gezien geheel buiten de opening in het schermrooster ligt. Bij een dergelijke uitvoering is de invloed van hoog-energetische ionen die voorbij de elektronenlens worden gegenereerd praktisch geheel verwaarloosbaar.

Een dergelijke halfgeleiderkathode kan bovendien met voordeel 30 zodanig vervaardigd worden dat de elektronen praktisch vanuit een cirkelvormige cross-over worden geëmitteerd, met een geringe spreiding rondom een gegeven hoek hetgeen elektronenoptisch voordelig is. Doordat de elektronen zich nu als het ware langs het oppervlak van een kegel bewegen wordt de elektronische helderheid minder verlaagd door lenzen met oc sferische aberratie.

Bij voorkeur wordt hiervoor een halfgeleiderkathode gebruikt zoals beschreven in de genoemde Octrooiaanvrage No. 7905470 maar ook andere halfgeleiderkathoden zijn mogelijk zoals bijvoorbeeld NEA-kathoden 8403537 PHN 11.206 4 I "> 9 of de kathoden beschreven in de genoemde Octrooiaanvrage No. 7800987 of in de Britse Octrooiaanvragen No. 8133501'en No. 8133502.

De uitvinding zal thans nader worden besproken aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld en de tekening, waarin 5 Fig. 1 schematisch een deel van een inrichting volgens de uitvinding voorstelt en

Fig. 2 gedeeltelijk in dwarsdoorsnede en gedeeltelijk in bovenaanzicht een halfgeleiderkathode toont voor toepassing in een dergelijke inrichting.

10 De figuren zijn niet op schaal getekend waarbij ter wille van de duidelijkheid, in de dwarsdoorsneden in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleider-zones van hetzelfde geleidingstype zijn· in het algemeen in dezelfde richting gearceerd; in de figuren zijn overeenkomstige delen in de 15 regel met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid.

Figuur 1 toont een gedeelte van een kathodestraalbuis 1 met binnen een omhulling 2 een kathode 3, in dit voorbeeld een halfgeleiderkathode waarin emissie van elektronen wordt verkregen door middel van lawinevermenigvuldiging van elektronen in een gesperde pn-overgang.

20 De kathodestraalbuis bevat verder een eerste rooster 4 en een scherm-rooster 5 die, indien aangesloten op de juiste spanningen, elektronen-optisch gezien een positieve lens vormen. Het niet getekende deel van de kathodestraalbuis 1 is voorzien van een tref plaat, terwijl bovendien de gebruikelijke middelen kunnen worden aangewend om een in de kathode 25 3 opgewekte elektronenbundel 6 af te buigen. De elektronenemitterench gebieden zijn in Figuur 1 schematisch aangegeven met behulp van de verwijzingscijfers 13.

In de halfgeleiderkathode 3 worden in dit voorbeeld elektronen gegenereerd volens een ringvormig patroon. Hiertoe bestaat de kathode 3Q 3 uit een half geleider lichaam 7 (zie Figuur 2) met een p-type substraat 8 van silicium waarin een n-type gebied 9,10 is aangebracht dat bestaat uit een diepe diffusiezone 9 en een dunne n-laag 10 ter plaatse van het eigenlijke emissiegebied. Om in dit gebied de doorslag van de pn-overgang tussen het p-type substraat 8 en het n-type gebied 9,10 te ver-35 lagen is plaatselijk de acceptorconcentratie in het substraat verhoogd door middel van een middels ionenimplantatie aangebracht p-type gebied 11. Elektronenemissie vindt derhalve plaats binnen de door de isolerende laag 12 vrijgelaten ringvormige zone 13 waar het elektronenemitterend 8403537 EHN 11.206 5 τ *= oppervlak bovendien is voorzien van een monoafcomaire laag van elektronen-uittreepotentiaal verlagend materiaal 33 zoals cesium. Op deze isolerende laag 12 van bijvoorbeeld siliciumoxyde kan zonodig een elektrode 14 aangebracht worden cm de uitgetreden elektronen te versnellen of af te 5 buigen; een dergelijke elektrode kan ook dienen om het onderliggende halfgeleiderlichaam te beschermen tegen ladingseffecten die op kunnen treden wanneer het wordt getroffen door positieve ionen of afgebogen elektronen. Het substraat 8 wordt bijvoorbeeld via een hooggedoteerde p-type zone. 16 en een metallisatie 17 gecontacteerd terwijl het n-type 10 gebied via een niet-getekende contactmetallisatie is aangesloten. De te contacteren gebieden zijn in gemonteerde toestand (zie Figuur 1) bijvoorbeeld via aansluitdraden 24 verbonden met doorvoeren 25 in de wand 2. Voor een meer gedetailleerde beschrijving van de halfgeleiderkathode 3 zij verwezen naar de genoemde Nederlandse Octrooiaanvrage No. 7905470.

15 De door de kathode 3 gegenereerde elektronen worden in de po sitieve elektronenlens gevormd door de roosters 4 en 5 versneld. Doordat tijdéns gebruik het rooster 4 een lage of zelfs negatieve spanning bezit en het schermrooster 5 (diafragma) een positieve spanning bezit, vormen deze roosters vanuit elektronenoptisch gezichtspunt een positieve 2o lens die de ringvormige elektronenbundel, die in de zone 13 wordt gegenereerd doet convergeren in een cross-over 22. Deze cross-over die zich ongeveer ter plaatse van de opening in het schermrooster 5 (diafragma) bevindt fungeert als een reële bron voor de eigenlijke elektronenbundel die vervolgens, bijvoorbeeld met elektromagnetische middelen 25 wordt afgebogen.

De cross-over 22 heeft ter plaatse van de opening in het schermrooster 5 een zékere afmeting. Deze afmeting bepaalt de minimale diameter van de opening in het schermrooster 5, terwijl de maximale diameter bepaald wordt door de binnendiameter van het ringvormige gebied 30 13 waar elektronenemissie plaatsvindt en die in dit voorbeeld ca. 200 micrometer bedraagt.

In het onderhavige voorbeeld wordt het rooster 4 bedreven op een spanning van 0 Volt terwijl op het schermrooster 5 een spanning van 265 Volt wordt aangelegd. De cross-over 22 heeft daarbij een diame-3g ter van 40 a 50 micrometer. Voor de opening in het schermrooster 5 wordt dan bijvoorbeeld een diameter van 100 micrometer gekozen.

Indien nu in de vacuümbuis 2 door botsing van elektronen of anderszins positieve ionen worden gegenereerd, worden deze versneld in de 8403537 Γ 3· ϊ ΡΗΝ 11.206 6 richting van de kathode 3.Het grootste deel van de positieve ionen wordt gegenereerd in het deel 18 van de buis 2 en door de heersende elektrische velden, waarvan de veldlijnen in het linkerdeel van Figuur 1 schematisch zijn aangegeven met lijnen 19 versneld langs trajectorieën 20.

5 Zoals uit Figuur 1 blijkt worden praktisch alle ionen die in de bundel 6 ter plaatse van het vlak 21 worden gegenereerd versneld naar het schermrooster 5. Alle positieve ionen gegenereerd tussen het vlak 21 in de bundel 6 en de cross-over 22 worden praktisch evenwijdig aan de as 31 van de buis versneld, passeren de opening in het schermrooster 10 5 en treffen de kathode 3 in een gebied dat binnen het eigenlijke emitte rende gedeelte ligt en in Figuur 2 is aangegeven net behulp van streep-lijnen 23. Het emissiegedrag wordt hierdoor dan ook niet nadelig beïnvloed, wel verdient het de voorkeur om de halfgeleiderkathode zoals hier te voorzien van een elektrode 15 die het onderliggende halfgeleider-15 lichaam beschermt tegen ladingseffecten. De elektrode 15 is dan ook bij voorkeur aangesloten op een vaste of variabele spanning.

Positieve ionen gegenereerd ter plaatse van het vlak 32 in de bundel 6 treffen de kathode 3 in het onderhavige voorbeeld buiten het gebied 13 of in het geheel niet, zoals blijkt uit Figuur 1. Bij de ge-20 noemde spanningen op de roosters 4,5 blijkt slechts een klein gedeelte van de ionen, gegenereerd op ca. 100 micrometer het emitterend gedeelte van de kathode in het bijzonder de laag cesium, te treffen met energieën van ca. 40 eV, waarmee de nadelige werking van in de buis gegenereerde positieve ionen beperkt blijft tot een geringe mate van af sputteren 25 van het cesium en kristalbeschadiging wordt voorkomen. Afhankelijk van de spanningen op de roosters 4,5 kan in de genoemde afstand en energie nog enige variatie optreden.

De gevoeligheid van de kathode kan nog verder worden verlaagd door het emitterend gebied 13 op te delen in een aantal afzonderlijke 3Q gebieden zoals nader omschreven in de tegelijkertijd ingediende Octrooiaanvrage No. PHN 11.207. Een dergelijke opbouw bevordert, zoals in genoemde Octrooiaanvrage beschreven,bovendien de stabiliteit van de kathode.

Zoals in de inleiding beschreven kan de uitvinding ook worden toegepast op een vacuümbuis met thermische kathode. Op dezelfde wijze 35 als hierboven beschreven zal, mits deze kathode in projectie gezien gedeeltelijk buiten de opening in het schermrooster 5 ligt een deel van deze kathode geen nadelige invloed van positieve ionen ondergaan hetgeen leidt tot een grotere stabiliteit in de elektronenemissie.

8403537 PHN 11.206 7

Uiteraard zijn binnen het kader van de uitvinding voor de vakman diverse variaties mogelijk zonder buiten het kader van de uitvinding te treden. Zo kunnen diverse andere soorten halfgeleider-kathoden worden gekozen zoals de reeds genoemde NEA-kathcden of die 5 beschreven in de 3ritse octrooiaanvrage No. 8133501 en No. 8133502.

Ook kunnen in plaats van cirkelvormige patronen bijvoorbeeld ten behoeve van -,veergeefinrichtingen één of meer lijnvormige patronen voor het gebied 13 worden gekozen.

10 15 20 25 30 35 8403537

Claims (7)

1. Inrichting voor het opnemen of weergeven van beelden bevattende een kathodestraalbuis met in een geëvacueerde omhulling een tref plaat en een kathode welke inrichting verder voorzien is van middelen om een positieve elektronenlens te vormen met de kathode een eerste rooster en 5 een schermrooster voorzien van een opening om door de kathode geëmitteerde elektronen door te laten met het kenmerk dat in projectie gezien het elektronenemitterend deel van de kathode althans gedeeltelijk buiten de opening in het schermrooster ligt en de opening in het schermrooster kleiner is dan de opening in het eerste rooster.

2. Inrichting volgens conclusie 1 met het kenmerk dat de kathode een halfgeleiderlichaam bevat met aan een hoofdoppervlak ten minste een elektronen-emitterend gebied dat in projectie gezien geheel buiten de o-pening in het schermrooster ligt.

3. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk dat het elektro-15 nenemitterend gebied praktisch ringvormig is en een binnendiameter bezit die groter is dan de diameter van de opening in het schermrooster.

4. Inrichting volgens conclusie 2 met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam meerdere elektronen-emitterende gebieden bevat die praktisch homogeen verdeeld zijn over een ringvormig patroon met een binnendiameter 20 die groter is dan de diameter van de opening in het schermrooster.

5. Inrichting volgens conclusie 2, 3 of 4, met het kenmerk dat het halfgeleiderlichaam ten minste een pn-overgang bevat tussen een aan het hoofdoppervlak grenzend n-type gebied en een p-type gebied, waarbij door het aanleggen van een spanning in de keerrichting over de pn-overgang 25 in het halfgeleiderlichaam door lawinevermenigvuldiging elektronen worden gegenereerd die uit het halfgeleiderlichaam treden en waarbij het oppervlak voorzien is van een elektrisch isolerende laag waarin ten minste een opening is aangebracht en de pn-overgang althans binnen de opening in hoofdzaak evenwijdig aan het hoofdoppervlak loopt en plaatselijk een 3Q lagere doorslagspanning dan het overige deel van de pn-overgang vertoont, waarbij het deel met lagere doorslagspanning van het oppervlak is gescheiden door een n-typé geleidende laag met een zodanig dikte en dotering dat bij de doorslagspanning de uitputtingszone van de pn-overgang zich niet tot aan het oppervlak uitstrekt doch daarvan gescheiden blijft door een 35 oppervlaktelaag die voldoende dun is om de gegenereerde elektronen door te laten.

6. Inrichting volgens conclusie 5 met het kenmerk dat op althans een gedeelte van de isolerende laag tenminste een elektrode is aangebracht. 8403537 ΡΗΝ 11.206 9 5 *? -Ψ

7· Inrichting volgens conclusie 5 of 6 met het kenmerk dat het hoofdoppervlak binnen de opening in de isolerende laag is voorzien van een laag van elektronenuittreepotentiaalverlagend materiaal. * 10 15 20 25 30 35 \ 8403537