JPH0145695B2 - - Google Patents
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- JPH0145695B2 JPH0145695B2 JP55045591A JP4559180A JPH0145695B2 JP H0145695 B2 JPH0145695 B2 JP H0145695B2 JP 55045591 A JP55045591 A JP 55045591A JP 4559180 A JP4559180 A JP 4559180A JP H0145695 B2 JPH0145695 B2 JP H0145695B2
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
- H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
- H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は針状に形成された尖針が陽極に対向
するように保持され、その尖針から電界によつて
電子放出を行わせる電界放射陰極の製造方法に関
するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for manufacturing a field emission cathode, in which a point formed in the shape of a needle is held so as to face an anode, and electrons are emitted from the point by an electric field. be.
電界放射陰極は、針状の尖針に負電位を、対向
する陽極に正電位をそれぞれ相対的に印加するこ
とによつて、尖針から電子放射を行わせるが、こ
のとき陽極を螢光板スクリーンとすることによつ
て電界放射電子像が得られる。この電界放射電子
像は通常、その尖針を構成する金属等の結晶学的
規則性を反映した幾何学的模様を呈し、その像の
現れる範囲を放射角で定義すると、放射角は尖針
から発するおよそ1rad、の領域にわたる。 In a field emission cathode, electrons are emitted from the needle point by applying a negative potential to the needle point and a positive potential to the opposing anode. At this time, the anode is connected to a phosphor screen. By doing so, a field emission electron image can be obtained. This field emission electron image usually exhibits a geometric pattern that reflects the crystallographic regularity of the metal that makes up the point, and if the range in which the image appears is defined by the radiation angle, the radiation angle is from the point to the point. It emanates over an area of approximately 1 rad.
しかし、このような電界放射陰極を実際に使用
する場合、上記の如く広い放射角の極く一部を用
いているにすぎない。以下、第1図に示す略図に
よつて説明する。第1図は電界放射陰極を用いた
電子線収束の電子光学系の1例を略図によつて示
したものである。ヘアピン型のフイラメント2の
中央に溶接された針状の電界放射陰極尖針1は第
1陽極3に対して負の電圧が電源5によつて印加
され、電界放射によつて電子が放出される。この
とき放射された電子の広がりは、放射角にして前
述の如く1rad.程度である。第1陽極の絞り孔1
2を通過した電子線は、第1陽極と第2陽極4と
の間に印加される電源6による電位差によつて生
ずる静電レンズ作用によつて収束され、適当な収
束面13で微細な電子ビームを提供する。あるい
は更に磁気レンズ等を組み合せて収束をくり返す
ことによつてより微細な電子ビームとする。この
時、収束電子ビームとして利用する放射電子は第
1陽極3の絞り孔12で制限されているが、その
理由は以下による。静電レンズあるいは磁気レン
ズを問わず、電子レンズには補正不可能な収差が
あり、その中で量的に大きい収差は球面収差であ
る。この収差量が大きいために利用する電子線を
光軸の近傍に限らなければならない。球面収差係
数をCs、電子線の開き角をαとするとき、Csα3
なる量が収差に基くボケの量となる。したがつて
収差量を小さくして、微細な電子ビームを得るに
はαを小さい領域に限らねばならない。実用の装
置ではα10-3rad.程度である。第1陽極3での
電流密度分布が、仮に一様であるとするならば、
全電子放射の立体角(〜1sr)と絞り孔12を通
過する電子線の立体角(πα2)との比が電界放射
の全電流と微細な電子ビームとして利用した電流
の割合となる。実際には前述の如く、結晶性の反
映によつて第1陽極3での電流密度分布が一様で
はなく、また尖針1の結晶軸方位を、電界放射電
子像の中心部分で電流密度が高くなるように選択
するため、上記の場合でおおよそ1000:1が全電
流と利用する微細電子ビーム電流との割合であ
る。 However, when such a field emission cathode is actually used, only a small part of the wide emission angle as described above is used. The following description will be made with reference to the schematic diagram shown in FIG. FIG. 1 schematically shows an example of an electron optical system for focusing electron beams using a field emission cathode. A negative voltage is applied to the first anode 3 by a power source 5 to the needle-shaped field emission cathode needle 1 welded to the center of the hairpin-shaped filament 2, and electrons are emitted by field emission. . The spread of the emitted electrons at this time is about 1 rad. in terms of radiation angle, as described above. Aperture hole 1 of the first anode
The electron beam that has passed through the anode 2 is converged by an electrostatic lens effect caused by the potential difference caused by the power supply 6 applied between the first anode and the second anode 4, and is focused on a suitable convergence surface 13 to form fine electrons. Provide beam. Alternatively, a finer electron beam can be obtained by repeating convergence by combining a magnetic lens or the like. At this time, the emitted electrons used as the focused electron beam are restricted by the aperture hole 12 of the first anode 3, and the reason for this is as follows. Regardless of whether it is an electrostatic lens or a magnetic lens, electronic lenses have aberrations that cannot be corrected, and among these aberrations, the quantitatively largest aberration is spherical aberration. Since this amount of aberration is large, the electron beam used must be limited to the vicinity of the optical axis. When the spherical aberration coefficient is Cs and the aperture angle of the electron beam is α, Csα 3
The amount becomes the amount of blur based on aberration. Therefore, in order to reduce the amount of aberration and obtain a fine electron beam, α must be limited to a small region. In a practical device, it is about α10 -3 rad. Assuming that the current density distribution at the first anode 3 is uniform,
The ratio of the solid angle (~1sr) of the total electron radiation to the solid angle (πα 2 ) of the electron beam passing through the aperture hole 12 is the ratio of the total current of field radiation to the current used as a fine electron beam. In reality, as mentioned above, the current density distribution at the first anode 3 is not uniform due to the crystallinity, and the current density at the center of the field emission electron image varies depending on the crystal axis direction of the pointed needle 1. In the above case, approximately 1000:1 is the ratio between the total current and the utilized fine electron beam current.
一方、実用の装置では電子線束はできるだけ微
細に、しかも電流値(以下プローブ電流と呼ぶ)
は大きく引き出すことが要求される。例えば開き
角(2α)として20mradの絞り孔12に入射する
プロープ電流は、通常用いている結晶軸方位<
310>のタングステン尖針の場合、全放射電流と
して1mA引き出すときおよそ1μAのプローブ電
流が得られる。 On the other hand, in a practical device, the electron beam flux is as fine as possible, and the current value (hereinafter referred to as probe current) is
is required to be brought out to a large extent. For example, the probe current incident on the aperture hole 12 with an opening angle (2α) of 20 mrad is
In the case of a tungsten needle of 310>, a probe current of approximately 1 μA is obtained when 1 mA is drawn as a total emitted current.
他方、電界放射電流は一定真空度のもとでは、
電流値が小さい程安定であるが、電流値を大きく
する程、電流変動が大となり不安定となり易い。
また、一定電流を引き出すとき真空度が良い程、
電流は安定である。したがつて前述の要請によつ
て、大きい全放射電流を得ようとしても電流変動
が大きくなるため、使用不可能な状態になる。実
際に、通常の真空容器で真空度が5×10-10Torr
程度であつたとしても100μA〜1mAの電界放射
電流を長時間にわたつて安定に引き出す事は極め
て困難な事であり、したがつて、より大きなプロ
ーブ電流を得ようとしても不可能であつた。 On the other hand, the field emission current under a constant degree of vacuum is
The smaller the current value is, the more stable it is, but the larger the current value is, the larger the current fluctuation becomes, making it more likely to become unstable.
Also, the better the degree of vacuum when drawing a constant current, the better
The current is stable. Therefore, due to the above-mentioned requirement, even if an attempt is made to obtain a large total radiation current, current fluctuations will become large, making the device unusable. In fact, the degree of vacuum in a normal vacuum container is 5×10 -10 Torr.
It is extremely difficult to stably draw out a field emission current of 100 μA to 1 mA over a long period of time, even if the probe current is small, and therefore it has been impossible to obtain a larger probe current.
これら従来の難点を解消することを目的として
針状の電界放射陰極の尖針表面に酸素ガス分子と
金属原子のそれぞれの単一層を吸着させることに
よつて、電界放射電子が、尖針の結晶面のうちの
特定結晶面の狭い領域に限られて発生し、放射角
として1/4rad.程度と、全放射電領値を低く抑え
ることのできる単原子層吸着型の電界放射陰極を
本願発明者らは既に提案している。用いる針状陰
極の材料としては、高温の加熱によつて針状の尖
針の形状をとどめ、尖針の表面を清浄化すること
のできるタングステン(W)、モリブデン(Mp)
等の耐高温金属材料であり、電界研磨によつて針
状の尖針に加工することのできるものを用いる。
該尖針の清浄表面に該尖針材料の仕事関数よりも
低い仕事関数をもち、その酸化物が耐高温酸化物
を形成する金属を蒸着し、酸素曝気および熱処理
によつて、WおよびMpの場合に尖針の(100)面
からのみ電子放射し、1/4rad.程度に放射角が縮
小される。放射角の縮小という点では、上記の技
術で充分に目的を達成するものであるが、電界放
射陰極からさらにより大きなプローブ電流を安定
に得ようとする新たな方策を必要とする。 In order to solve these conventional problems, by adsorbing a single layer of each of oxygen gas molecules and metal atoms on the surface of the needle of a needle-shaped field emission cathode, field emission electrons can be absorbed by the crystal of the needle. The present invention provides a monoatomic layer adsorption type field emission cathode that generates radiation only in a narrow region of a specific crystal plane and can suppress the total radiation field value to a low radiation angle of about 1/4 rad. They have already proposed it. The materials used for the acicular cathode include tungsten (W) and molybdenum (M p ), which can maintain the shape of the acicular point and clean the surface of the acicular point by heating at high temperatures.
A high-temperature resistant metal material, such as, which can be processed into a needle-like point by electric field polishing, is used.
A metal having a work function lower than that of the material of the point and whose oxide forms a high temperature resistant oxide is deposited on the clean surface of the point, and by oxygen aeration and heat treatment, W and M p In this case, electrons are emitted only from the (100) plane of the needle, and the emission angle is reduced to about 1/4 rad. In terms of reducing the radiation angle, the above technique satisfactorily achieves the objective, but new measures are required to stably obtain an even larger probe current from the field emission cathode.
上記した単原子層吸着型の電界放射陰極では、
放射電流のドリフト量を小さくするため750℃〜
1000℃の範囲で尖針を加熱しながら使用すると安
定性が良くなる。最適な加熱温度は使用する材
料、真空度によつて異なつている。また単原子層
程度の吸着であるから加熱温度が高すぎると寿命
が短縮される。しかし蒸着金属のうち融点の比較
的高いものについては、1000℃以上に加熱した場
合、電流安定性がはるかに優れてくる。この状態
を長時間にわたつて実現するには、尖針を高温に
加熱しても尚安定に尖針表面で単原子層程度の吸
着が行われるように、蒸発によつて消耗する量を
安定に補給しなければならない。 In the monoatomic layer adsorption type field emission cathode mentioned above,
750℃~ to reduce the drift amount of radiation current
Stability will be improved if the needle is heated in the range of 1000℃. The optimal heating temperature varies depending on the material used and the degree of vacuum. Furthermore, since the adsorption is on the order of a monoatomic layer, if the heating temperature is too high, the lifetime will be shortened. However, for vapor-deposited metals with relatively high melting points, current stability becomes much better when heated to 1000°C or higher. In order to achieve this state over a long period of time, it is necessary to stabilize the amount consumed by evaporation so that even when the needle is heated to high temperatures, adsorption of about a monoatomic layer on the needle surface remains stable. must be replenished.
このような補給手段には吸着金属としてジルコ
ニウム(Zr)を利用する場合が提案(米国特許
番号3814975)されている。これは加熱フイラメ
ントとしてのWへアピン部の中央に単結晶を接合
し、先端を電解研磨し尖針としてある。このヘア
ピン状のフイラメントと単結晶尖針との接合部に
水素化ジルコニウム(ZrH)粉末を付着し、酸素
ガス分圧のある真空雰囲気中で熱処理することに
よつて、1500℃以上の高温でもZrの補給を可能
とするものである。この方法の欠点は、第1には
ZrH粉末の付着が接合力を有しない単なる付着で
あるため、熱処理前に真空中で剥離し易いこと、
第2には、高温に加熱して電界放射させる時ヘア
ピン状のフイラメントと尖針との接合部に多量の
Zrあるいは酸化したZrがあるため、不必要な熱
電子放射電流が電界放射電流中に多量に混入する
こと、第3には不純物が混入し易いことである。 It has been proposed (US Pat. No. 3,814,975) to utilize zirconium (Zr) as an adsorbed metal for such a replenishment means. In this, a single crystal is bonded to the center of a W pin part as a heating filament, and the tip is electrolytically polished to form a pointed needle. By attaching zirconium hydride (ZrH) powder to the joint between this hairpin-shaped filament and the single-crystal needle and heat-treating it in a vacuum atmosphere with oxygen gas partial pressure, ZrH can be used even at high temperatures of 1500℃ or higher. This enables the replenishment of The disadvantage of this method is, firstly,
Since the ZrH powder adhesion is a mere adhesion with no bonding force, it is easy to peel off in vacuum before heat treatment.
Second, when heated to a high temperature and radiated in an electric field, a large amount of material is deposited at the joint between the hairpin-shaped filament and the pointed needle.
The presence of Zr or oxidized Zr causes a large amount of unnecessary thermionic emission current to be mixed into the field emission current, and thirdly, impurities are likely to be mixed in.
従つて、本発明の目的は、これらの従来の難点
を解消し、且つ、さらにより高性能な特性を有す
る電界放射陰極の製造方法を提供することにあ
る。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a field emission cathode that overcomes these conventional difficulties and has even higher performance characteristics.
上記目的を達成するため、この発明において
は、針状の電界放射陰極の尖針表面に酸素ガス分
子と金属原子のそれぞれの単一層を、吸着させる
ことによつて電界放射電子が尖針の結晶面のうち
の特定結晶面の狭い領域に限られて発生し、放射
角として1/4fad程度と、全放射電流値を低く抑え
ることのできる単原子層吸着型の電界放射陰極を
高温度で動作させても、蒸発によつて消耗する量
を常時安定に補給できるようにするため、耐高温
性の金属細線をヘアピン状に形成してフイラメン
トとし、このフイラメントの頂点に取り付けられ
るべき尖針の仕事関数よりも低い仕事関数を有
し、かつその酸化物が耐高温性を有する金属部材
をその後このフイラメントに絡ませて後、高真空
のもとで加熱することによつてこのフイラメント
の上記尖針が取り付けられるべき頂点位置から離
れた部位においてこのフイラメントと金属部材と
の間に少なくとも1つの接合部を形成させるよう
にして電界放射陰極を製造することを特徴として
いる。かかる本発明の特徴的な電界放射陰極の製
造方法によつて補給源である金属部材をフイラメ
ントへの尖針の取り付け位置から離れた部位にお
いて確実にフイラメントに固定することが可能と
なり、その結果、電界放射陰極の高安定化、長寿
命化を図ることができる。とくに、本発明によれ
ば、補給源となる金属部材のフイラメントへの接
合部がフイラメントへの尖針の取り付け位置から
離隔して形成されるため、尖針の取り付け部近傍
に必要以上に多量の低仕事関数部材が存在しない
ため、動作中に不必要な熱電子放射電流が多量に
混入放射されると言うような心配もない。 In order to achieve the above object, in the present invention, by adsorbing single layers of oxygen gas molecules and metal atoms on the surface of the needle of a needle-shaped field emission cathode, field emission electrons are absorbed into the crystal of the needle. The monoatomic layer adsorption type field emission cathode is operated at high temperatures, and the emission is limited to a narrow region of a specific crystal plane, and the emission angle is about 1/4 fad, which keeps the total emission current low. In order to constantly and stably replenish the amount consumed by evaporation even when the temperature is increased, a high-temperature-resistant thin metal wire is formed into a hairpin shape to form a filament, and the work of the point needle to be attached to the apex of this filament. A metal member having a work function lower than that of the filament and whose oxide has high temperature resistance is then entangled with the filament, and then heated under a high vacuum to make the point of the filament. It is characterized in that the field emission cathode is manufactured in such a way that at least one joint is formed between the filament and the metal member at a location remote from the apex position to be attached. The method for producing a field emission cathode, which is characteristic of the present invention, makes it possible to reliably fix the metal member serving as the replenishment source to the filament at a location away from the point where the point is attached to the filament, and as a result, High stability and long life of the field emission cathode can be achieved. In particular, according to the present invention, since the joint of the metal member serving as a supply source to the filament is formed at a distance from the point where the point is attached to the filament, an unnecessarily large amount of the metal member is formed near the point where the point is attached to the filament. Since there is no low work function member, there is no worry that a large amount of unnecessary thermionic radiation current will be mixed in and emitted during operation.
以下、本発明による電界放射陰極の製造方法を
第2〜4図に示した実施例により具体的に説明す
る。電界放射陰極を構成する材料としては、タン
グステンまたはモリブデンを使用する、直径0.15
mmの多結晶線をヘアピン型に成形してフイラメン
ト2としこのフイラメント2の中央に軸方位<
100>の単結晶線を接合し先端をNaOH水溶液中
で電解研磨して尖針1を作製する。第2図は、こ
のような状態を示したものであり、1がタングス
テン又はモリブデン尖針、2がタングステン又は
モリブデンの多結晶線からなるヘアピン型のフイ
ラメント、7はフイラメント2に接合されたコバ
ール等からなるステム、そして8はガラスベース
である。次に第3図に示す如く、直径80μm程度
のハフニウム(Hf)線9′の一端をステム7にス
ポツト溶接しヘアピン型のフイラメント2に絡ま
せ捩り線の如くフイラメント2の形に沿つて再び
別のステム7にその一端をスポツト溶接する。こ
れを高真空中でステム7の両端に電源14により
通電し、Hf線9′が溶融するまで温度を上昇す
る。溶融すると瞬間的に温度がさらに上昇するの
が肉眼で確認できるので通電を止める。このよう
にして第4図に示すような形状の電界放射陰極が
作製される。すなわち、Hf線9′はフイラメント
2のヘアピン部の両側のほぼ中央部で溶融して球
形の補給源9となり、ステム7側のHf線9′は溶
融することなく線状のままステム7に接合されて
いる。尚、Hf線9′が溶融した瞬間は上記の如く
肉眼で確認できるが、電源14として定電圧源を
用いて加熱する時は通電電流の変化からも容易に
その瞬間を判別できる。 Hereinafter, the method for manufacturing a field emission cathode according to the present invention will be explained in detail with reference to the embodiments shown in FIGS. 2 to 4. The field emission cathode is made of tungsten or molybdenum, with a diameter of 0.15 mm.
A polycrystalline wire of mm is formed into a hairpin shape to form a filament 2, and the center of this filament 2 has an axial direction <
100> single crystal wires are joined and the tips are electrolytically polished in an aqueous NaOH solution to produce a pointed needle 1. Figure 2 shows such a state, where 1 is a tungsten or molybdenum point, 2 is a hairpin-shaped filament made of tungsten or molybdenum polycrystalline wire, and 7 is Kovar etc. bonded to filament 2. and 8 is a glass base. Next, as shown in Fig. 3, one end of a hafnium (H f ) wire 9' with a diameter of about 80 μm is spot welded to the stem 7, entwined with the hairpin-shaped filament 2, and separated again along the shape of the filament 2 like a twisted wire. One end of the stem 7 is spot welded to the stem 7 of the stem 7. Electricity is applied to both ends of the stem 7 in a high vacuum using a power source 14, and the temperature is increased until the Hf wire 9' is melted. When it melts, you can see with the naked eye that the temperature instantly increases further, so turn off the electricity. In this way, a field emission cathode having a shape as shown in FIG. 4 is produced. That is, the Hf wire 9' is melted at approximately the center of both sides of the hairpin portion of the filament 2 to form a spherical supply source 9, and the Hf wire 9' on the stem 7 side is not melted and is joined to the stem 7 while remaining linear. has been done. The moment the Hf wire 9' melts can be confirmed with the naked eye as described above, but when heating is performed using a constant voltage source as the power source 14, the moment can be easily determined from changes in the applied current.
この場合、Hf線9′が溶融して球形の補給源9
を形成することは必らずしも必要ではなく、フイ
ラメント2とHf線9′との間に少なくとも一箇所
の接合部分が形成されておればよい。すなわち、
この接合部が補給源9と同じ機能をすることにな
る。 In this case, the Hf ray 9' melts into a spherical supply source 9.
It is not necessarily necessary to form a bonded portion, and it is sufficient that at least one joint portion is formed between the filament 2 and the Hf wire 9'. That is,
This joint will perform the same function as the supply source 9.
さらに、Hf線9′の両端をステムにスポツト溶
接することは必らずしも必要ではなく、両端が自
由の状態であつてもよい。この場合、フイラメン
ト2の通電加熱によつて、フイラメント2とHf
線9′との接合部分を形成する。また、Hf線9′
を別個の電源によつて通電加熱してもよい。さら
にまた、加熱手段は通電によらず他の加熱手段
は、例えばガスバーナー等であつてもよい。 Furthermore, it is not necessary to spot-weld both ends of the Hf wire 9' to the stem, and both ends may be left free. In this case, by heating the filament 2 with electricity, the filament 2 and Hf
A joint portion with line 9' is formed. Also, Hf line 9'
may be electrically heated by a separate power source. Furthermore, the heating means does not depend on energization; other heating means may be, for example, a gas burner.
なお、Hf線9′をフイラメント2の全部に絡ま
せないで、片側のみでもよく、この場合は接合部
又は補給源は1つとなる。 Note that the Hf wire 9' may not be wrapped around the entire filament 2, but only on one side, and in this case, there will be only one joint or supply source.
このようにして第4図の如く作製された電界放
射陰極を高真空容器中で第5図の如く配置し電界
放射の基本特性を測定した。真空中で第4図の電
界放射陰極を加熱するとHfの補給源9はW又は
Moのヘアピン型フイラメント2の表面を拡散し
単結晶の尖針1の表面を覆う。第5図においてフ
イラメント2に通電し尖針1を1400℃程度に加熱
し、電源5によつて高電圧を印加すると表面に螢
光体を塗布した陽極板10に電界放射電子像が得
られる。陽極板10の中心近傍に尖針1から
20mrad.の開き角を見込むように小孔15を設
け、この小孔15に入射する電子をフアラデーケ
ージ11で捕集し、微小電流計16で測定する。
前述した理由によつて、放射角の縮小のために酸
素ガスを導入し、酸素ガス分圧を1.5×10-7Torr
とするとき、仕事関数が最も低下し第6図に示す
ような放射角の縮小した電界放射電子像が得られ
る。Wの単結晶のみの時の放射角は第5図の点線
に示したようなおよそ1rad.の開き角を持つが、
第6図ではおよそ1/4rad.の開き角となる。また、
1400℃では開き角1rad.より外側の領域に極めて
電流密度は小さいが熱電子放射に基く電子像(第
6図中で横方向の点線)と尖針1の側面にある四
つの{100}面からの電界放射電子線も観察され
る。中心の放射角縮小電子像は、リング状の周囲
の電流密度が中心近傍より2〜4倍高い値をもつ
が、電流安定性は中心近傍の方が数倍良い。本実
施例の場合、陽極板10で測定される全放射電流
が200μA(電子像外側の熱電子〜50μAを含む)の
ときフアラデーケージ11で測定されるプローブ
電流は1μAあり、前述したW<310>尖針で全放
射電流1mA程度を引き出した時と同等である。
さらにこの状態における電流安定性は、特に示さ
ないが、熱電子放射なみの安定性を示し、1μAの
プローブ電流で1%以下のΔIP/IP(プローブ電流
IPに対する変動量ΔIP)である。さらに従来の電
界放射陰極と大きく異なり、且つ画期的な点は
10-7Torrオーダーの酸素ガスを常時導入して動
作させることが。放射角の縮小と高い安定性を得
る必要条件になつていることである。ただし、よ
り高温度で動作させる程全放射電流に含まれる熱
電子放射電流の割合は大きくなるから、全放射電
流とプローブ電流の比で表せる見かけ上の放射角
縮小の割合は低下するが、プローブ電流の高い安
定性が最終的な目標であることを考慮すれば、何
ら障害とはならない。 The field emission cathode thus produced as shown in FIG. 4 was placed in a high vacuum container as shown in FIG. 5, and the basic characteristics of field emission were measured. When the field emission cathode shown in Fig. 4 is heated in vacuum, the Hf supply source 9 becomes W or
The surface of the Mo hairpin filament 2 is diffused to cover the surface of the single crystal needle 1. In FIG. 5, when the filament 2 is energized to heat the needle 1 to about 1400° C. and a high voltage is applied by the power source 5, a field emission electron image is obtained on the anode plate 10 whose surface is coated with a phosphor. From the point needle 1 near the center of the anode plate 10
A small hole 15 is provided so that an opening angle of 20 mrad.
For the reasons mentioned above, oxygen gas was introduced to reduce the radiation angle, and the oxygen gas partial pressure was reduced to 1.5×10 -7 Torr.
When this is the case, the work function is the lowest and a field emission electron image with a reduced radiation angle as shown in FIG. 6 is obtained. When only a single crystal of W is used, the radiation angle has an opening angle of approximately 1 rad., as shown by the dotted line in Figure 5.
In Figure 6, the opening angle is approximately 1/4 rad. Also,
At 1400°C, the current density is extremely small in the area outside the opening angle of 1 rad, but the electron image based on thermionic radiation (horizontal dotted line in Figure 6) and the four {100} planes on the side of the point 1 are clearly visible. Field emission electron beams are also observed. In the radiation angle reduced electron image at the center, the current density around the ring shape is 2 to 4 times higher than near the center, but the current stability is several times better near the center. In the case of this embodiment, when the total radiation current measured by the anode plate 10 is 200 μA (including 50 μA of thermionic electrons outside the electron image), the probe current measured by the Faraday cage 11 is 1 μA, and the above-mentioned W<310> This is equivalent to drawing out a total radiated current of about 1 mA with a pointed needle.
Furthermore, the current stability in this state is not particularly shown, but it shows stability comparable to thermionic emission, and ΔI P /I P (probe current
The amount of variation ΔI P ) with respect to I P is. Furthermore, the major difference and revolutionary point from conventional field emission cathodes is
It can be operated by constantly introducing oxygen gas on the order of 10 -7 Torr. This has become a necessary condition for reducing the radiation angle and achieving high stability. However, as the temperature increases, the ratio of thermionic radiation current included in the total radiation current increases. Considering that high current stability is the ultimate goal, this is no problem.
第6図のような放射角縮小をし、仕事関数が最
小となるような尖針温度と酸素分圧の間には相関
があり、Hfの場合尖針温度が1200℃のとき4×
10-5Torr、1300℃のとき6×10-8Torr、1500℃
のとき2.8×10-7Torrそして、1400℃のとき上記
のように1.5×10-7Torrであつた。しかし実際に
使用する際には、厳密にこの相関で与えられる尖
針温度と酸素分圧で用いる必要は全くなく、前述
の如く放射角縮小の割合がプローブ電流の安定性
に大きく寄与することもないので尖針温度と、酸
素分圧のかなり広い領域において使用可能であ
る。ただし、全く酸素ガスを導入しない場合(あ
るいは、残留ガスとして全く酸素ガス分圧がない
場合)には第7図イに示すようなHfのみのW
(100)面への吸着パターンしか得られない。同図
においてハがほぼ(100)面の仕事関数が最小を
示し、ある尖針温度においてロはハよりも酸素ガ
ス分圧が小さく、ニは酸素ガス分圧が高い場合の
それぞれ放射角縮小電子像を示す。電流密度は、
第6図で示した如く中心の(100)面は周囲のリ
ング状の部分より1/2〜1/4小さいが安定性におい
て極めて優れている。また第7図ロ〜ニは、尖針
温度1400℃以上では第6図のような熱電子放射像
が表れてくるが、省略してある。尚同図において
電流密度はおおよその表示である。 As shown in Figure 6, there is a correlation between the point temperature and the oxygen partial pressure at which the radiation angle is reduced and the work function is minimized.In the case of Hf, when the point temperature is 1200℃,
10 -5 Torr, 1300℃ 6×10 -8 Torr, 1500℃
At 1400℃, it was 2.8×10 -7 Torr, and as mentioned above, it was 1.5×10 -7 Torr. However, in actual use, it is not necessary to use the tip temperature and oxygen partial pressure strictly given by this correlation, and as mentioned above, the rate of radiation angle reduction can greatly contribute to the stability of the probe current. Therefore, it can be used in a fairly wide range of needle temperatures and oxygen partial pressures. However, if no oxygen gas is introduced at all (or if there is no partial pressure of oxygen gas as a residual gas), the W
Only the adsorption pattern on the (100) surface can be obtained. In the same figure, C shows almost the minimum work function of the (100) plane, B shows a smaller oxygen gas partial pressure than C at a certain point temperature, and D shows radiation angle reduced electrons when the oxygen gas partial pressure is high. Show the image. The current density is
As shown in FIG. 6, the (100) plane at the center is 1/2 to 1/4 smaller than the surrounding ring-shaped portion, but is extremely stable. In addition, in FIGS. 7B to 7D, thermionic emission images as shown in FIG. 6 appear when the needle temperature is 1400° C. or higher, but are omitted. Note that the current density in the figure is an approximate representation.
酸素ガスのガス種が共存する場合でも、上記の
電流安定性が低下することはない。例えば、残留
ガスとして空気(酸素、窒素、水等を含む)が4
×100-7Torrあるとき、尖針温度1500℃で酸素ガ
スを2×10-7Torr導入して安定に動作させるこ
とができる。また通常の電界放射陰極では悪影響
をうける一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)
等のガスによつても特性の劣化は認められない。 Even when oxygen gas species coexists, the current stability described above does not deteriorate. For example, if air (including oxygen, nitrogen, water, etc.) is a residual gas,
When ×100 -7 Torr is present, stable operation can be achieved by introducing oxygen gas at 2 ×10 -7 Torr at a needle temperature of 1500°C. Also, carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ), which are adversely affected by ordinary field emission cathodes,
No deterioration in characteristics was observed even with gases such as.
他の実施例は、Hfの代りにジルコニウム(Zr)
を用いる場合である。本発明の尖針を作製する方
法は第2図〜第4図と全く同等である。Hfの場
合よりZrの融点が低い分だけ、第3図から第4
図を作るための加熱温度がやや低くて良い。第5
図と同様の電界放射を行うとき電界放射電子像は
第6図および第7図と全く同等のものが得られ
る。また最小の仕事関数を与える尖針温度と酸素
分圧の相関は、使用の初期状態ではHfの場合と
ほとんど同等であるが、1〜2時間経過後には一
定の尖針温度に対して1/3〜1/4の酸素分圧で良
く、3〜4時間経過後には1/10程度となり、定常
状態ではHfの場合の1/10〜1/100の酸素分圧で良
い。これは、Zrの場合には、拡散の補給源で、
ある程度酸化が進行しているためとみなされる。 Other embodiments include zirconium (Zr) instead of Hf.
This is the case when using The method for producing the pointed needle of the present invention is exactly the same as shown in FIGS. 2 to 4. As the melting point of Zr is lower than that of Hf,
The heating temperature for making the diagram is slightly lower. Fifth
When field emission similar to that shown in the figure is performed, field emission electron images completely equivalent to those shown in FIGS. 6 and 7 are obtained. In addition, the correlation between the tip temperature and oxygen partial pressure that gives the minimum work function is almost the same as that for Hf in the initial state of use, but after 1 to 2 hours, it becomes 1/2 for a constant tip temperature. An oxygen partial pressure of 3 to 1/4 is sufficient, and becomes about 1/10 after 3 to 4 hours, and in a steady state, an oxygen partial pressure of 1/10 to 1/100 of that in the case of Hf is sufficient. In the case of Zr, this is a source of diffusion,
This is considered to be due to oxidation progressing to some extent.
他の実施例は、チタン(Ti)を用いる場合で
あるが、方法はZr、Hfと同等である。ただしTi
の場合1100℃程度の動作では、特に酸素を補給し
なくても安定に動作することが大きな特徴であ
る。 Another example uses titanium (Ti), but the method is equivalent to Zr and Hf. However, Ti
A major feature of this device is that it can operate stably at temperatures around 1100°C without the need for supplemental oxygen.
また、Hf、Zr、Tiからなる2元、3元の合金
線を用いた場合も、Hf、Zr、Tiからなる金属線
を2本、3本絡めて用いた場合も上記実施例とほ
ぼ同様の効果が得られる。 In addition, the case where binary or ternary alloy wires made of Hf, Zr, and Ti are used, and the case where two or three metal wires made of Hf, Zr, and Ti are used are almost the same as in the above embodiment. The effect of this can be obtained.
尚本発明になる尖針は、電界放射陰極として使
用する際に、基本的に第4図の形状を保てば良い
のであり、作製の順序等については依存しない。
すなわち、W又はMoのヘアピン型フイラメント
2に単結晶線1を接合する前に第3図〜第4図の
操作を行つた後、接合し電解研磨しても良いし、
ヘアピン型フイラメント2に単結晶線1を接合し
た後、第3図〜第4図を行つて最後に電解研磨し
ても良い。 It should be noted that when the point according to the present invention is used as a field emission cathode, it is basically sufficient to maintain the shape shown in FIG. 4, and the order of manufacturing is not dependent on the shape.
That is, before joining the single crystal wire 1 to the W or Mo hairpin filament 2, the operations shown in FIGS.
After joining the single crystal wire 1 to the hairpin filament 2, the steps in FIGS. 3 to 4 may be performed and finally electrolytic polishing may be performed.
また、本発明においてHf、Zr、Ti等の線をヘ
アピン型フイラメント2を絡ませて作製する以外
に、第8図イの如く予めヘアピン型フイラメント
2にHf、Zr、Ti等の線9′をフイラメント2の片
側又は両側に接合しておいてロのように球状の補
給源9を作製しても良い。もちろん、上述の実施
例で述べたように球状にする必要はなく接合だけ
でもよい。さらに、単結晶線1は、球状の補給源
9の作製の前後どちらでも良いが電解研磨して尖
針1とする。 In addition, in the present invention, in addition to fabricating wires of Hf, Zr, Ti, etc. by intertwining them with the hairpin filament 2, it is also possible to prepare wires 9' of Hf, Zr, Ti, etc. on the hairpin filament 2 in advance as shown in FIG. 8A. Alternatively, a spherical supply source 9 as shown in FIG. Of course, it is not necessary to make it spherical as described in the above-mentioned embodiments, and only bonding is sufficient. Further, the single crystal wire 1 is electrolytically polished to form the pointed needle 1 either before or after the production of the spherical supply source 9.
本発明で、電流安定性を良く保つ尖針温度は、
Hf、Zr、Ti何れの場合にも860℃〜1500℃の範囲
においてであり、またその時必要な酸素ガス分圧
は、前述の如く尖針温度と尖針の種類に依存して
いるが、最大5×10-7Torrすなわち、通常5×
10-7Torr以下の圧力で尖針温度と尖針の種類に
よつて適当な範囲を選択すれば良い。 In the present invention, the needle temperature that maintains good current stability is
In the case of Hf, Zr, and Ti, the temperature is in the range of 860℃ to 1500℃, and the oxygen gas partial pressure required at that time depends on the needle temperature and type of needle as described above, but the maximum 5×10 -7 Torr, usually 5×
An appropriate range may be selected depending on the needle temperature and the type of needle at a pressure of 10 -7 Torr or less.
本発明によつて製造した尖針の寿命に関して
は、同じ温度で使用すればTi、Zr、Hfの順に長
く使用できるが、中間のZrの場合、第4図の実
施例において1500℃で使用しても1万時間以上の
寿命を示し、しかも尖針の形状には影響を与えな
いため、実用上問題となることはないし、使用温
度の下限はTiが最も低くすることができ、Zr、
Hfの順になつている。 Regarding the life of the point needle manufactured according to the present invention, Ti, Zr, and Hf can be used for a longer time if used at the same temperature, but in the case of Zr, which is in the middle, it is used at 1500°C in the example shown in Fig. 4. It has a lifespan of more than 10,000 hours, and it does not affect the shape of the needle, so it does not pose a practical problem. Ti can have the lowest operating temperature, and Zr,
They are in the order of Hf.
また、本発明により製造した尖針は、電子線描
画装置のように、プローブ電流のスポツト径が
0.1μm程度でブローブ電流としてより大きな値を
望む場合に最適であり、プローブ電流の安定性と
して1時間あたりの電流レベルの変動(ドリフ
ト)および短時間の変動(雑音)とも1%以下が
得られ、従来のどのような電界放射陰極よりもす
ぐれた値を示した。 In addition, the point needle manufactured according to the present invention has a probe current spot diameter that is similar to that used in electron beam lithography equipment.
It is ideal when a larger value is desired for the probe current at approximately 0.1 μm, and the stability of the probe current is less than 1% for both hourly current level fluctuation (drift) and short-term fluctuation (noise). , which showed better values than any conventional field emission cathode.
以上詳述した如く、本発明によれば、本質的に
高輝度電子線源である電界放射陰極を、大きいプ
ローブ電流を引き出しながら、長時間の安定性に
優れ且つ長寿命を保証することができ、しかも使
用する真空の質(残留ガス等)についてほとんど
制限されないで実用に供するようにしたものであ
る。 As detailed above, according to the present invention, the field emission cathode, which is essentially a high-brightness electron beam source, can draw out a large probe current while ensuring excellent long-term stability and long life. Moreover, the quality of the vacuum used (residual gas, etc.) is hardly limited so that it can be put to practical use.
第1図は電界放射陰極を用いた電子線収束の電
子光学系の構成図、第2〜4図は本発明による電
界放射陰極の構成図及びその製作過程の説明図、
第5図は本発明により電界放射陰極の特性測定系
の構成図、第6図及び第7図イ,ロ,ハ,ニはそ
れぞれ本発明による電界放射陰極の電界放射電子
像の模式図、第8図イ,ロは本発明による電界放
射陰極の他の構成図及びその製作過程の説明図で
ある。
1……尖針、2……ヘアピン型フイラメント、
3……第1陽極、4……第2陽極、5,6,14
……電源、7……ステム、8……ガラスベース、
9……付着物、9′……線、10……螢光板、1
1……フアラデーゲージ、12,15……絞り
穴、13……収束面。
Fig. 1 is a block diagram of an electron optical system for converging electron beams using a field emission cathode, and Figs. 2 to 4 are block diagrams of a field emission cathode according to the present invention and explanatory diagrams of the manufacturing process thereof.
FIG. 5 is a configuration diagram of a characteristic measurement system of a field emission cathode according to the present invention, and FIGS. 6 and 7 are schematic diagrams of field emission electron images of a field emission cathode according to the present invention. 8A and 8B are other configuration diagrams of the field emission cathode according to the present invention and explanatory diagrams of the manufacturing process thereof. 1... point needle, 2... hairpin type filament,
3...First anode, 4...Second anode, 5, 6, 14
...Power supply, 7...Stem, 8...Glass base,
9... Deposit, 9'... Line, 10... Fluorescent plate, 1
1... Faraday gauge, 12, 15... throttle hole, 13... convergence surface.
Claims (1)
フイラメントとし、上記フイラメントの頂点に取
り付けられるべき尖針の仕事関数より低い仕事関
数を有しかつその酸化物が耐高温性を有する金属
部材を上記フイラメントに絡ませて後、高真空の
もとで加熱することによつて上記フイラメントの
上記尖針が取り付けられるべき頂点位置から離れ
た部位において上記フイラメントと上記金属部材
との間に少なくとも1つの接合部を形成すること
を特徴とする電界放射陰極の製造方法。 2 上記尖針を上記接合部の形成後に取り付ける
ことを特徴とする第1項の電界放射陰極の製造方
法。 3 上記フイラメントがW又はMoの細線からな
ることを特徴とする第1項又は第2項の電界放射
陰極の製造方法。 4 上記金属部材がZr、Hf、Tiからなる群から
選ばれた少なくとも1つの金属からなることを特
徴とする第1項から第3項までのいずれか1つの
項の電界放射陰極の製造方法。 5 上記尖針がW又はMoの単結晶からなり、か
つ軸方位が<100>であることを特徴とする第1
項から第4項までのいずれか1つの項の電界放射
陰極の製造方法。[Claims] 1. A filament made by forming a thin wire of a high-temperature-resistant metal into a hairpin shape, which has a work function lower than that of the point to be attached to the apex of the filament, and whose oxide has a high-temperature-resistant property. After entangling a metallic member with the filament, the filament and the metallic member are heated at a high vacuum to form a bond between the filament and the metallic member at a portion of the filament away from the apex position where the point is to be attached. A method for manufacturing a field emission cathode, characterized in that at least one junction is formed between the cathodes. 2. The method for manufacturing a field emission cathode according to item 1, characterized in that the point needle is attached after the joint portion is formed. 3. The method for producing a field emission cathode according to item 1 or 2, wherein the filament is made of a fine wire of W or Mo. 4. The method for producing a field emission cathode according to any one of items 1 to 3, wherein the metal member is made of at least one metal selected from the group consisting of Zr, Hf, and Ti. 5. A first device characterized in that the point is made of a single crystal of W or Mo and has an axial orientation of <100>.
A method for manufacturing a field emission cathode according to any one of paragraphs 1 to 4.
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4559180A JPS56143638A (en) | 1980-04-09 | 1980-04-09 | Fabrication of field emission cathode |
| DE19803039283 DE3039283A1 (en) | 1979-10-19 | 1980-10-17 | FIELD EMISSION CATHODE AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION |
| US06/198,176 US4379250A (en) | 1979-10-19 | 1980-10-17 | Field emission cathode and method of fabricating the same |
| NL8005772A NL8005772A (en) | 1979-10-19 | 1980-10-20 | FIELD EMISSION CATHOD AND METHOD FOR MANUFACTURING SUCH A CATHOD |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4559180A JPS56143638A (en) | 1980-04-09 | 1980-04-09 | Fabrication of field emission cathode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS56143638A JPS56143638A (en) | 1981-11-09 |
| JPH0145695B2 true JPH0145695B2 (en) | 1989-10-04 |
Family
ID=12723584
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4559180A Granted JPS56143638A (en) | 1979-10-19 | 1980-04-09 | Fabrication of field emission cathode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS56143638A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60225345A (en) * | 1984-04-20 | 1985-11-09 | Hitachi Ltd | Field emission method and electron beam device used therefor |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3814975A (en) * | 1969-08-06 | 1974-06-04 | Gen Electric | Electron emission system |
| JPS5338257A (en) * | 1976-09-21 | 1978-04-08 | Agency Of Ind Science & Technol | Manufacture of carbide emitter |
-
1980
- 1980-04-09 JP JP4559180A patent/JPS56143638A/en active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS56143638A (en) | 1981-11-09 |
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