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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft allgemein Verbesserungen von Glühkathoden mit kohlenstoffbeschichteten Oberflächen. Insbesondere stellt die Erfindung eine Kathode zur Verfügung, in der ein Spalt zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und der Kathodenoberfläche vorhanden ist, wodurch eine Wechselwirkung des Kohlenstoffs und des kristallinen Emittermaterials verhindert wird, die die Kathode andernfalls beschädigen würde.
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Hintergrund der Erfindung
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Lanthanhexaborid (LaB6), Cerhexaborid (CeB6), Hafniumcarbid (HfC) werden in gesinterter oder kristalliner Form als Elektronenquellen oder Emitter in verschiedenen Elektronenstrahlgeräten (z.B. Lithographiegeräten, Rasterelektronenmikroskopen (SEM), Transmissionselektronenmikroskopen (TEM etc.) verwendet. Ein typischer Emitter ist verjüngt oder kegelförmig mit einer bestimmten Größe der Spitze oder der Spitzenabnahme und des Kegelwinkels wie in 1A gezeigt ist.
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Die Spitze (Spitzenabnahme) kann flach oder kugelförmig sein mit einem Durchmesser von 5 bis 100 µm und einem Kegelwinkel von 60 bis 110 Grad in Abhängigkeit von der Anwendung. Diese Kathoden haben jedoch zwei konstruktionsbedingte Nachteile: Nachteil 1: Bei den Betriebstemperaturen (1650 bis 1900 K) verdampft Emittermaterial und die Größe der Spitze vermindert sich kontinuierlich, wodurch die Lebensdauer der Kathode beschränkt wird. Nachteil 2: Unter Betriebsbedingungen wird der Elektronenstrahl durch Elektronen gebildet, die sowohl von der Spitze als auch von der Kegeloberfläche emittiert werden. Elektronen, die von der Kegeloberfläche emittiert werden, stellen bis zu 65 % des gesamten Emissionsstroms dar, können aber nicht in stark gebündelten Strahlen verwendet werden (Ref. 1).
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Es ist somit vorteilhaft, die Materialverdampfung und die Elektronenemission von der Kathodenkegeloberfläche zu beseitigen. Dies kann beispielsweise durch Beschichten der Kegeloberfläche mit Kohlenstoff erreicht werden (Ref. 2). Eine Querschnittsansicht einer Kathode mit einer kohlenstoffbeschichteten Kegeloberfläche ist in 1B dargestellt. Bei Kathodenbetriebstemperaturen (z.B. 1650 bis 1900 K) ist die Verdampfungsgeschwindigkeit der Kohlenstoffbeschichtung sehr niedrig, z.B. etwa 1000 Mal niedriger als die von LaB6 oder CeB6 mit einem Dampfdruck von nur 10-10 Torr, was praktisch vernachlässigbar ist. Somit verändert die Beschichtung ihre Abmessungen während der Kathodenlebensdauer (auf etwa 3000 h) nicht. Mit anderen Worten zeigen kohlenstoffbeschichtete Kathoden (z.B. kohlenstoffbeschichtetes K-LaB6, K-CeB6 und K-HfC) weder Elektronenemission noch Kohlenstoffverdampfung und die inherenten Nachteile von LaB6-Kathoden, die oben diskutiert worden sind, werden durch die Beschichtung beseitigt.
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Dennoch weisen Kohlenstoffbeschichtungen Nachteile auf. Solche Kathoden zeigen eine beschränkte Lebensdauer, die durch Emittererosion und Verlust durch Verdampfen hervorgerufen werden, und dieser Verlust wird zum Teil durch chemische Wechselwirkungen zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und dem LaB6/CeB6-Kathodenmaterial hervorgerufen. Dies kann in der in 1C dargestellten Fotografie beobachtet werden, die die flache Oberfläche der emittierenden Oberfläche eines Kegels zeigt, die von der angrenzenden Kohlenstoffbeschichtung umgeben ist. Wie man sieht, scheinen die Kanten der emittierenden Oberfläche des Kegels, die im Kontakt mit der Kohlenstoffbeschichtung stehen, beschädigt zu sein (z.B. löchrig und/oder angeätzt). Tatsächlich sind diese Bereiche der emittierenden Oberfläche beeinträchtigt und sind nicht mehr in der Lage, effizient Elektronen in gebündelter Weise zu emittieren. Somit ist die nützliche Lebensdauer der Kathode trotz der Vorteile, die durch die Kohlenstoffbeschichtung verliehen worden sind, durch den Kontakt mit der Kohlenstoffbeschichtung verkürzt worden.
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EP 1 593 140 B1 beschreibt sogenannte Dispenser- oder Vorratskathoden, bei denen während des Betriebs ein Vorrat an austrittsarbeitsenkenden Teilchen mittels Diffusion einer Emissionsoberfläche zugeführt wird. Die Kathode enthält einen Durchgang, der den Vorrat mit der Emissionsfläche verbindet. In einer Ausführungsform ist eine kegelförmige Kathode mit einer freistehenden Wolframsäule versehen, um die herum ein Durchgang gefolgt von porösem Wolfram angeordnet ist. Die Oberseite der Emissionsfläche ist mit einem austrittsarbeitsenkenden Material beschichtet, z. B. mit einer Skandatzusammensetzung. Der restliche Nicht-Emissionsbereich ist mit einem emissionshemmenden Material beschichtet. Als Beispiele hierfür werden Graphit und Zirkon genannt.
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JP 2005 - 190 758 A beschreibt eine Elektronenemissionsquelle, worin die Oberfläche mit Ausnahme des elektronenemittierenden Teils aus von mit Kohlenstoff bedecktem Cerhexaborid gebildet wird.
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US 4 528 474 A beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines hohen Elektronenstrahlstroms. Die Kathode besteht aus einem thermoelektronenemittierenden Material mit einer niedrigen Austrittsarbeit und einer oder mehreren dünnen Schichten, die die Seitenfläche der Kathode bedecken. In einer Ausführungsform ist eine zu
1B ähnliche Glühkathode mit einer Kohlenstoffbeschichtung vorgehen. Bei dieser Ausführungsform wird dazu geraten, die Temperatur sorgfältig zu kontrollieren, da ansonsten die chemische Stabilität der oberen Emissionsoberfläche der Kathode beeinträchtigt werden könnte und es zu Kohlenstoffverlust aufgrund von Oxidation mit Umgebungssauerstoff zu CO und CO
2 und Sublimation kommen kann. Um dieses Problem zu lösen, wird eine andere Ausführungsform vorgeschlagen, worin mehrere Metallschichten als Schichten, die die Seitenflächen der Kathode bedecken, vorgesehen sind.
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JP S53 - 135 564 A beschreibt, dass bei Vorsehen eines metallischen Elektronenschildkörpers in direktem Kontakt mit der Emissionsfläche einer Glühkathode der Körper mit aufgewärmt werden muss und es durch die Betriebswärme zur Diffusion von Emittermaterial auf die äußere Oberfläche des Elektronenschildkörpers kommen kann. Dieses diffundierte Material emittiert dann ebenfalls Elektronen, wenn der Elektronenschildkörper heiß ist, was den Querschnitt des emittierten Elektronenflusses ungewünscht verbreitert. Durch den Kontakt mit der Glühkathode ist ferner der Wärmeverlust durch den Schildkörper groß. Zur Lösung dieser Probleme wird vorgeschlagen, den metallischen Elektronenschildkörper mit einem kleinen Abstand von der elektronenemittierenden Substanz der Glühkathode vorzusehen, um so die Strecke, die die emittierende Substanz bis zur äußeren Schildoberfläche zurücklegen müsste, auf eine durch Diffusion nicht zu überbrückende Länge zu vergrößern. Durch den Abstand wird ebenso der zur Erwärmung erforderliche Energieaufwand verringert.
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Gemäß
JP S58 - 111 236 A wird ein Kathodensubstrat an ein Ende eines Metallzylinders geschweißt, der aus einer runden Ta-Platte besteht. An einer Stelle, die etwas von der Elektronenemissionsfläche des Substrats entfernt ist, befindet sich eine aus Ta hergestellte Öffnungselektrode, die dem Substrat zugewandt ist, und an einer weiter von dieser Fläche entfernten Stelle ist die zweite Elektrode angebracht. An der Öffnungselektrode ist eine Öffnung vorgesehen, um Elektronenstrahlen von einer Elektronenemissionsfläche zu übertragen.
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Es besteht die Notwendigkeit, Alternativen zur Verlängerung der Lebensdauer von Kathoden zu entwickeln. Beispielsweise besteht die Notwendigkeit, neue Kathodenbeschichtungen zu entwickeln, die die positiven Eigenschaften von Kohlenstoffbeschichtungen zeigen, aber nicht die mit Kohlenstoffbeschichtungen in Verbindung stehenden Probleme aufweisen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt elektronenemittierende Glühkathoden mit verbesserter Lebensdauer zur Verfügung. Die kegelförmigen Oberflächen des Emitters der Kathoden werden durch eine Schicht (Beschichtung) aus Kohlenstoff geschützt, um Materialverdampfung und Elektronenemission zu verhindern. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist in den Kathoden der Erfindung ein Spalt zwischen der Kohlenstoffschicht und dem elektronenemittierenden Material der Kegelregion vorhanden. Das Vorhandensein des Spalts verhindert den direkten Kontakt zwischen der Kohlenstoffbeschichtung und dem darunterliegenden kristallinen emittierenden Material, wodurch die chemischen Reaktionen zwischen den beiden verhindert oder vermindert werden. Daher erhält die emittierende Oberfläche der Kathode keine Beschädigung als Ergebnis einer Reaktion mit Kohlenstoff und die nützliche Lebensdauer der Kathode wird signifikant verlängert. Dementsprechend stellt die Erfindung eine Kathode mit langer Lebensdauer und hoher Winkelintensität und Helligkeit zur Verfügung. Verfahren zur Herstellung solcher Kathoden werden ebenfalls durch die Erfindung umfasst, wie auch Vorrichtungen (Zusammenstellungen), die beispielsweise eine Kathode der Erfindung und andere Elemente wie etwa einen Kathodenhalter oder -Träger eine Wärmequelle (Heizung) etc. einschließen.
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Figurenliste
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- 1A-C. Wiedergabe des Standes der Technik. A, schematische Darstellung einer Kathode, die die Spitze (emittierende Oberfläche), Kegelwinkel und Kegeloberfläche zeigt; B, schematische Darstellung einer Kathode mit kohlenstoffbeschichteter Kegeloberfläche; C, Fotografie von Beschädigungen der emittierenden Oberfläche einer herkömmlichen kohlenstoffbeschichteten Kathode.
- 2A-C. A, Querschnittsansicht einer Kathode der Erfindung; B, Aufsicht einer Kathode der Erfindung in der Ebene der Emitteroberfläche; C, Seitenansicht der Kathodenspitze.
Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu. - 3. Schematische Darstellung des Querschnitts einer Ausführungsform der Kathode der Erfindung.
- 4A-D. Schematische Ansicht der Schritte oder Stufen der Herstellung einer Kathode der Erfindung. A, Emittermaterial eingelassen in den Kathodenhalter; B, kegelförmige Oberfläche des Emitters und mit temporärer oder Opferbeschichtung beschichteter Spitze; C, sowohl die temporäre Beschichtung auf der kegelförmigen Oberfläche und die Oberfläche des Emitterkörpers sind mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet; D, die temporäre Beschichtung wurde entfernt, wodurch ein Spalt (in weiß dargestellt) zwischen der Oberfläche des kegelförmigen Teils des Emitters und der Beschichtung verbleibt, die diese Oberfläche umgibt, aber nicht direkt damit in Kontakt steht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Gemäß der Erfindung schließt eine innovative Kathode einen Einkristall-Emitter, der einen oberen Abschnitt mit einer Spitze und einem kegelförmigen Abschnitt und Seiten umfasst, und eine Schicht Kohlenstoff (eine Kohlenstoffbeschichtung) auf den Emitterseiten und der Emitterkegeloberfläche ein. Jedoch ist die Emitterkegeloberfläche räumlich getrennt (durch einen Spalt) von der Kohlenstoffbeschichtung, d.h. in der Umgebung des Emitterkegels besteht kein direkter Kontakt zwischen der Kohlenstoffschicht und dem Emittermaterial. Stattdessen ist ein enger, ringförmiger Spalt zwischen dem kegelförmigen Teil des Emitterkörpers und der Kohlenstoffbeschichtung vorhanden. Die Kohlenstoffbeschichtung umgibt somit die kegelförmige Emitteroberfläche, aber ist nicht direkt daran befestigt. D.h. sie ist ähnlich einem „Schild“ räumlich von der Emitteroberfläche getrennt. Da der Spalt eng ist, ist die Kohlenstoffschicht immer noch dicht genug an der Kegeloberfläche, um die Emitterverdampfungsgeschwindigkeit von der Kegeloberfläche zu begrenzen. Jedoch ist die direkte Wechselwirkung zwischen der kegelförmigen Emitteroberfläche und der Kohlenstoffschicht verhindert oder abgeschwächt und durch chemische Reaktionen zwischen dem Emittermaterial und der Kohlenstoffschicht hervorgerufene Beschädigungen werden verhindert (vermindert, minimiert etc.). Mit anderen Worten wird eine Beschädigung wie die in 1C veranschaulichte vermieden oder verringert und der Umfang der Spitze wird nicht vermindert wie gezeigt. Als Ergebnis haben die Kathoden der Erfindung Lebensdauern, die sich deutlich über die herkömmlicher Kathoden hinaus erstrecken, während sie immer noch hohe Winkeldichte und Helligkeit zur Verfügung stellen. Die Erfindung stellt somit ein Mittel zum Erhöhen der Lebensdauer von Elektronenquellen durch Beseitigen des direkten Kontakts zwischen Kohlenstoffbeschichtungen und kristallinem Kathodenmaterial zur Verfügung, z.B. zumindest in der Umgebung der Spitze.
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2A ist eine schematische Querschnittsansicht einer beispielhaften Kathode der Erfindung. In 2A ist die Kathode 100 dargestellt, die im Kathodenhalter 200 immobilisiert (gehalten, befestigt etc.) ist. Die Kathode 100 umfasst einen Emitter 10, der einen oberen Abschnitt 20, der einen kegelförmigen Abschnitt (20) und eine Spitze (22) umfasst, und einen Emitterkörper 30 umfasst. Der obere Abschnitt 20 des Emitters 10 umfasst eine elektronenemittierende Oberfläche 22 und eine obere Oberfläche 21. Der Emitterkörper 30 umfasst eine äußere Oberfläche 31. Die Kathode 100 umfasst ferner eine Beschichtung 40, die eine obere Beschichtung 41 und eine untere Beschichtung 42 umfasst. Wie man sieht, grenzt die untere Beschichtung 42 unmittelbar an die äußere Oberfläche 31 entlang der Länge der äußeren Oberfläche 31 an und ist an der äußeren Oberfläche 31 befestigt. Die untere Beschichtung 42 umgibt die äußere Oberfläche 31 des Emitterkörpers 30 und ist mit dieser in Kontakt. Im Gegensatz dazu steht die obere Beschichtung 41 nicht im direkten Kontakt mit der oberen Oberfläche 21. Stattdessen tritt der Spalt 50 zwischen die beiden (ist dazwischen vorhanden). Der Spalt 50 kann z.B. von etwa 1 µm bis etwa 15 µm Breite reichen, jedoch kann der Spalt je nach Anwendung kleiner oder größer sein.
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2B zeigt eine schematische Darstellung in Aufsicht auf die Spitze einer Kathode der Erfindung in der Ebene der elektronenemittierenden Oberfläche. Diese Figur zeigt die zentrale elektronenemittierende Oberfläche 22, die durch den ringförmigen Spalt 50 umgeben ist, der wiederum durch die obere äußere Oberfläche 43 (der oberen Beschichtung 41 der Beschichtung 40, siehe 2A) umgeben ist. 2C zeigt eine Seitenansicht der Spitze einer Kathode der Erfindung und zeigt die elektronenemittierende Oberfläche 22, die von einem ringförmigen Spalt 50 umgeben ist, der wiederum durch die obere äußere Oberfläche 43 der obengenannten oberen Beschichtung 41 umgeben ist und mit der unteren Beschichtung 42 der Beschichtung zusammenhängt.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Kathode der Erfindung.
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Der Fachmann erkennt, dass das emittierende Material der Kathode im Allgemeinen ein Einkristall ist und aus einem beliebigen von mehreren geeigneten Typen kristalliner Materialien gebildet sein kann oder dieses enthält, das gegebenenfalls gesintert sein kann. Beispielhafte elektronenemittierende Materialien, die verwendet werden können, schließen einkristallines Lanthanhexaborid (LaB6), einkristallines Cerhexaborid (CeB6), einkristallines Hafniumcarbid (HfC), gesintertes LaB6, gesintertes CeB6, gesintertes HfC, gesintertes Wolfram-Barium-Sauerstoff-Al (W-Ba-Al-O), gesintertes Scandat (Ba-Sc-W-O) etc. ein, aber sind nicht darauf beschränkt. Der Fachmann erkennt, dass „gesinterte“ Materialien solche sind, die aus Teilchen gebildet werden, die auf Grund der Einwirkung von Wärme und/oder Druck aneinander gebunden werden.
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Der Emitterkörper ist im Allgemeinen zylindrisch oder im Wesentlichen zylindrisch mit geraden Seiten geformt, die mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet sind. In diesem Abschnitt des Emitters ist die Kohlenstoffbeschichtung/-Schicht direkt an der Oberfläche des Emitters befestigt. Die Länge des Emitterkörpers reicht im Allgemeinen von etwa 0,50 bis etwa 3 mm. Der Querschnitt des Emitterkörpers ist im Allgemeinen rund oder rechteckig mit einem Durchmesser (oder Breite im Falle eines Rechtecks) im Bereich von etwa 200 µm bis etwa 800 µm, z.B. etwa 200, 300, 400, 500, 600, 700 oder 800 µm.
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Ein oberer Abschnitt des Emitters, z.B. etwa die oberen 10 bis 200 µm des Emitterkristalls können kegelförmig, zylindrisch, quadratisch, rechteckig, pyramidal etc. sein und all diese Ausführungsformen sind hier umfasst. Der obere Abschnitt ist im Allgemeinen kegelförmig mit einem Kegelwinkel im Bereich von etwa 0 Grad (d.h. für eine geradseitige zylindrische Form) bis etwa 90°(für eine Kegelform). Der Kathodenemitter-Kegelwinkel sollte, wenn er kegelförmig ist, nicht größer als etwa 90 Grad sein und kann im Bereich von etwa 20 bis etwa 90 Grad (z.B. etwa 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85 oder 90 Grad) liegen und ist vorzugsweise im Bereich von etwa 60 bis etwa 90 Grad (z.B. etwa 60, 65, 70, 75, 80, 85 oder 90 Grad). In einigen Ausführungsformen beträgt der Kegelwinkel 60 Grad. Ein beispielhafter Kegelwinkel von 90 Grad wird in 1A gezeigt.
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Der obere (für gewöhnlich) kegelförmige Abschnitt des Emitters ist der Abschnitt, der mit der Kohlenstoffbeschichtung umgeben ist, aber nicht direkt davon berührt wird auf Grund des Vorhandenseins eines Spalts zwischen der Beschichtung und der kegelförmigen Oberfläche. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Spalt, der die Emitteroberfläche und die Kohlenstoffbeschichtung voneinander trennt, etwa 1 µm bis etwa 15 µm breit, d.h. etwa 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 µm breit. Die Tiefe des Spalts entlang der kegelförmigen Oberfläche beträgt im Allgemeinen etwa 10 bis etwa 200 µm und erstreckt sich typischerweise über (umfasst, bedeckt etc.) die gesamte Kegeloberfläche und endet am oberen Ende des Emitterkörpers. Die räumlich getrennte Kohlenstoffschicht, die den Kegel umgibt, folgt im Allgemeinen den Konturen des Kegels und ist somit selbst kegelförmig und in einem Winkel angeordnet, der gleich oder ähnlich dem des Kegels ist (siehe 2A).
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Die Kohlenstoffschicht oder -Beschichtung kann aus jedem geeigneten Material gebildet werden und Beispiele schließen Graphit, kolloiden Graphit (z.B. aquadag), DLC (diamantartigen Kohlenstoff), pyrolytischen Kohlenstoff etc. ein, aber sind nicht darauf beschränkt.
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Die Kathodenemitterspitze kann flach oder kugelförmig sein und kann in ihrer Größe von so klein wie etwa 5 µm bis so groß wie etwa 400 µm im Durchmesser je nach gewünschtem Grad der Spitzenabnahme und dem gewünschten Kegelwinkel reichen.
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Beispielhafte Kathoden des Stands der Technik mit kohlenstoffbeschichteten Emissionsoberflächen werden beispielsweise im
US-Patent 7,176,610 beschrieben, dessen gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang eingeschlossen ist.
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Die Erfindung stellt ebenfalls eine Kathodenvorrichtung oder
- -Anordnung bereit. Die Anordnung umfasst die Elektronenquelle oder Kathode wie oben beschrieben, einen Kathodenhalter oder
- -Träger und eine Emitterheizung, die betriebsfähig mit der Kathode in solcher Weise verbunden ist, dass sie genügend Hitze zur Verfügung stellt, um Elektronenemission bei der Kathode hervorzurufen. Die Heizung ist schematisch in 2A als Emitterheizung 300 dargestellt.
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Die Erfindung umfasst ferner Verfahren zum Herstellen der hier beschriebenen Kathoden. Im Allgemeinen wird die Herstellung der Kathoden der Erfindung nach Verfahren und Schritten durchgeführt, die im Stand der Technik bekannt sind, bis auf dass ein Spalt zwischen der Emitterkegeloberfläche und der Kohlenstoffbeschichtung eingeführt wird. In einer Ausführungsform wird dies erreicht, indem eine temporäre oder Opferbeschichtung auf die kegelförmige elektronenemittierende Oberfläche des Emitters vor dem Auftragen der Kohlenstoffbeschichtung auf den Emitter aufgebracht wird und die temporäre Beschichtung dann Bedingungen ausgesetzt wird, die zu ihrer Entfernung führen, z.B. die zum Zerfall, Schmelzen, Verdampfen, Auflösen führen. Dies ist schematisch in den 4A-D veranschaulicht.
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Unter Bezugnahme auf die 4A umfasst der Emitter 10 den Emitterkörper 30 mit der äußeren Oberfläche 31 und dem kegelförmigen Abschnitt 20 mit der kegelförmigen Oberfläche 21 und der Spitze 22. Der Emitter 10 wird im Kathodenhalter 200 gehalten. Die 4B zeigt, dass die temporäre Beschichtung 60 (mit der Oberfläche 61) auf die konische Oberfläche 21 aufgebracht worden ist. In der veranschaulichten Ausführungsform wird die temporäre Beschichtung 60 ebenfalls auf die Spitze 22 der Kathode aufgetragen. Dies muss jedoch nicht immer der Fall sein. Die temporäre Beschichtung 60 kann nur auf die kegelförmige Oberfläche 21 aufgetragen werden. 4C zeigt die Kathode, nachdem die Kohlenstoffbeschichtung 40 auf die äußere Oberfläche 31 des Emitterkörpers und die äußere Oberfläche 61 der temporären Beschichtung aufgetragen worden ist. Wenn die temporäre Beschichtung 61 ebenfalls auf die Spitze 22 aufgetragen worden ist (wie in 4B veranschaulicht), wird der Abschnitt der temporären Beschichtung 60, die die Spitze 22 bedeckt, nicht mit Kohlenstoff beschichtet, da dies die Elektronenemission von der Spitze 22 im Endprodukt (d.h. nach Entfernen der temporären Beschichtung 60) verdecken würde. Die Form der in 4C gezeigten Kathode (mit der vorhandenen temporären Beschichtung 60 und der Kohlenstoffbeschichtung 40) kann hier als „intermediäre Kathode“ bezeichnet werden. Danach wird diese intermediäre Kathode Bedingungen unterworfen, die zu einer Entfernung der temporären Beschichtung 60 führen. Die 4D zeigt das fertiggestellte Produkt nach dem Entfernen der temporären Beschichtung 60. Wie man sieht, ist die temporäre Beschichtung 60 nicht mehr vorhanden und stattdessen ist der Spalt 50 zwischen der kegelförmigen Oberfläche 21 und der Kohlenstoffbeschichtung 40 angeordnet. Der Teil der Kohlenstoffbeschichtung, die den Kegel umgibt, aber nicht berührt, ist mit der Schicht Kohlenstoff, die die Emitterseiten beschichtet, zusammenhängend, d.h. die beiden sind zusammenhängend und auf ununterbrochene Weise verbunden.
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Diese temporäre Beschichtung, die hier ebenfalls als ein Opferfilm (Film, Beschichtung etc.) bezeichnet werden kann, die auf die kegelförmige Oberfläche des Emitters aufgebracht wird, wird im Allgemeinen aus einem oder mehreren Materialien hergestellt, die von dem Kathodenemitter in einer Weise entfernt werden können, die die anderen Bestandteile der Kathode nicht beeinträchtigt. Beispielhafte Materialien, die verwendet werden können, um die temporäre Beschichtung zu bilden, schließen verschieden organische Filme, Acrylharz, Nitrocellulose etc. ein, aber sind nicht darauf beschränkt. In einigen Ausführungsformen ist die temporäre Beschichtung ein organischer Film und Beispiele schließen 4-Methacryloyloxyethyltrimellitatanhydrid (4-META), Methylmethacrylat (MMA) (Meta-Methylmethacrylat) ein, aber sind nicht darauf beschränkt.
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Die Verfahren zum Herstellen der Kathoden mit langer Lebensdauer (verlängerter Lebensdauer) der Erfindung schließen die folgenden Schritte ein, aber sind nicht darauf beschränkt:
- 1. Bereitstellen eines Emitters umfassend einen Emitterkörper, einen kegelförmigen Teil oder Abschnitt und eine Spitze.
- 2. Beschichten des kegelförmigen Teils und gegebenenfalls der Spitze des Emitters mit einer temporären Opferschicht oder-Beschichtung.
- 3. Aufbringen einer Schicht Kohlenstoff auf die äußeren Oberflächen des Emitterkörpers und der temporären Beschichtung, wobei der Kohlenstoff nur auf die temporäre Beschichtung über dem kegelförmigen Teil, aber nicht auf die temporäre Beschichtung auf der Spitze der Kathode aufgebracht wird. Dieser Schritt führt zur Bildung einer intermediären Kathode mit einer temporären Schutzschicht (siehe z.B. 4C).
- 4. Einwirkenlassen von Bedingungen auf die intermediäre Kathode, die zum Entfernen der temporären oder Opferschicht führen, ohne die anderen Kathodenbestandteile zu beschädigen. Dieser Schritt hinterlässt einen Spalt mit einer Breite von mehreren Mikrometern zwischen dem Kristall und der Kohlenstoffbeschichtung in der Umgebung des kegelförmigen Teils des Emitters.
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Der Fachmann erkennt, dass die Bedingungen, die zum Entfernen der temporären Opferschicht verwendet werden, vom Materialtyp abhängen, der verwendet wird, um die Schicht zu bilden. Wenn die Schicht beispielsweise ein organischer Film ist, kann Wärme verwendet werden, um die Schicht zu entfernen. Beispielhafte Bedingungen schließen beispielsweise das Erwärmen der intermediären Kathode auf eine Temperatur im Bereich von etwa 400 bis etwa 600 °C unter Bedingungen, die dem Fachmann bekannt sind, ein. Unter solchen Bedingungen verdampft der organische Film und hinterlässt einen Raum oder einen Spalt.
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Dem Fachmann sind andere Typen temporärer Schutzschichten bekannt, die eingesetzt werden können, um Verfahren zu ihrer Entfernung, z.B. Bilden der temporären Schicht aus einem löslichen Material und Einwirkenlassen eines geeigneten Lösungsmittels (z.B. Wasser, eines organischen Lösungsmittels etc.) auf die intermediäre Kathode oder durch Bilden der temporären Schicht aus einem photolabilen Material und Belichten der intermediären Kathode mit Licht einer Wellenlänge, die geeignet ist, den Abbau oder die Zersetzung des Materials auszulösen. Der temporäre Film kann aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet werden und kann mit einem beliebigen geeigneten Verfahren entfernt werden, das zum Entfernen führt, ohne die anderen Kathodenkomponenten zu beschädigen, einschließlich ohne Einschränkung: Ätzen, Auflösen, Verdampfen, Schmelzen, Abtragen etc.
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Die Glühkathode der Erfindung kann in Elektronenstrahl-Lithographiegeräten, Rasterelektronenmikroskopen etc. oder in beliebigen anderen Anwendungen verwendet werden kann.
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Literaturnachweis: Die folgenden Literaturstellen werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen:
- 1. M. Gesley, F. Hohn, J. Appl. Phys. 64 (7), Oktober 1988, S. 3380-3392
- 2. US-Patent US 7 176 610 B2 , 13. Februar 2007
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, dass die Erfindung mit Abänderungen innerhalb des Umfangs der anhängenden Ansprüche verwirklicht werden kann. Dementsprechend sollte die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt werden, sondern sollte ferner alle Abänderungen und Äquivalente davon innerhalb des Umfangs der Ansprüche einschließen.
