DE2604603A1 - FIELD EMISSION SOURCE - Google Patents
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Description
PHN 7βο6 SCiIE/RJ 2 6 0 4G0 3 26.5.75 PHN 7βο6 SCiIE / RJ 2 6 0 4G0 3 5/26/75
■ : PHlT- 7896
λϊν.Γ.ύ -.er.: 5. Febr. 1976■: PHIT-7896
λϊν.Γ.ύ -.er .: Feb. 5, 1976
"Feldeinls si ons quell e ""Field as si ons source"
Die Erfindung betrifft eine Elektronenstrahlröhre mit einer Feldemissionselektronenquelle, die eine auf einem Stützdraht montierte drahtförmige Kathodenspitze enthält. The invention relates to a cathode ray tube with a field emission electron source, the one includes wire-shaped cathode tip mounted on a support wire.
Eine derartige Elektronenstrahlröhre ist beispielsweise aus dem Artikel "The carbon fibre field emitter" in der Journal Phys. D. Applied Physics, Band 7 - 1974, Seiten 2105...2115, bekannt. Insbesondere wird in diesem Artikel ein Rasterelektronenmikroskop mit einer Feldemissionsquelle mit einer aus Kohlenstoff aufgebauten Kathodenspitze beschrieben. DieseSuch a cathode ray tube is for example from the article "The carbon fiber field emitter "in the journal Phys. D. Applied Physics, Volume 7 - 1974, pages 2105 ... 2115, known. In particular This article describes a scanning electron microscope with a field emission source with one made of carbon constructed cathode tip described. These
609836/0829 ORIGINAL INSPECTED609836/0829 ORIGINAL INSPECTED
PHN 7896· 26.5.75PHN 7896 5/26/75
26Ü4S0326Ü4S03
Kathodenspitze hat neben im Artikel erwähnten Vorteilen auch Nachteile, wie eine verhältnismässig mangelhafte Reproduzierbarkeit und eine ziemlich ungenaue Positionierung in der Elektronenquelle. Weiter ist es fast ausgeschlossen, an einem Kohlenstoffdraht eine gut definierte Spitze zu bilden. Bekannt sind auch Elektronenstrahlröhren mit einer Kathodenspitze aus Wolfram. Für eine stabile Emission müssen bei diesen Kathodenspitzen sehr hohe Vakuumanforderungen in. der Elektronenstrahlröhre erfüllt werden.In addition to the advantages mentioned in the article, the cathode tip also has disadvantages, such as a relatively inadequate one Reproducibility and a rather imprecise positioning in the electron source. Next is it almost ruled out on a carbon wire to form a well-defined tip. Cathode-tip cathode-ray tubes are also known made of tungsten. For a stable emission, these cathode tips have to have very high vacuum requirements in. the cathode ray tube are met.
Die Aufgabe der.Erfindung ist es, eine Elektronenstrahlröhre zu schaffen, bei der unter Beibehaltung der guten Emissionseigenschaften eine betriebssichere Montage und eine gut definierte Formgebung der Kathodenspitze möglich ist. Eine Elektronenstrahlröhre der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenspitze aus einem Kerndraht mit einer darauf angebrachten Schicht mit emittierendem Material aufgebaut ist.The task of the invention is to create a To create cathode ray tubes in which, while maintaining the good emission properties, a reliable assembly and a well-defined shape of the cathode tip is possible. One Cathode ray tube of the type mentioned at the outset is characterized according to the invention in that the cathode tip consists of a core wire with a layer of emissive applied thereon Material is built up.
Da für die erfindungsgemässe Kathodenspitze von mehreren Materialien für den Kerndraht und die emittierende Schicht ausgegangen wird, können optimale Emissionseigenschaften leicht mit einer zuverlässigen Montage und einer exakten FormgebungAs for the cathode tip according to the invention several materials are assumed for the core wire and the emitting layer optimum emission properties easily with a reliable assembly and an exact shape
der Kathodenspitze kombiniert werden.the cathode tip are combined.
609836/0829609836/0829
PHN 7896-26.5.75 PHN 7896-26.5.75
In einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung besteht der Kerndraht im wesentlichen aus Wolfram und darauf ist als emittierendes Material eine Kohlenstoffschicht abgeschieden. Wie für ein Rasterelektronenmikroskop wird die Erfindung auch für Durchstrahlungselektronenmikroskope, insbesondere für diejenigen, die zum Erreichen eines hohen Auflösungsvermögens ausgeführt sind, für Elektronenstrahlbearbeitungsgeräte, für Röntgenröhren, insbesondere für Feinfokusröhren, für Bildröhren u.dgl. angewandt.In a preferred embodiment according to According to the invention, the core wire consists essentially of tungsten and thereon is an emissive material deposited a carbon layer. As for a scanning electron microscope, the invention is also for transmission electron microscopes, in particular for those that are designed to achieve a high resolution, for electron beam processing devices, for X-ray tubes, especially for fine focus tubes, for picture tubes and the like. applied.
Die Möglichkeit einer exakten und genau positionierten· Montage der Kathodenspitze nach der Erfindung macht sie insbesondere für Anwendungen bei mehrfachen Kathoden geeignet.The possibility of an exact and precisely positioned · assembly of the cathode tip after the Invention makes them particularly suitable for multiple cathode applications.
An Hand der Zeichnungen werden nachstehend einige bevorzugte Ausführungsformen nach, der Erfindung näher erläutert. Es zeigtWith reference to the drawings, some preferred embodiments according to the invention are shown below explained in more detail. It shows
Fig. 1 eine skizzenhafte Darstellung eines erfindungsgemässen Rasterelektronenmikroskops, und1 shows a sketch of a scanning electron microscope according to the invention, and
Fig. 2 eine in vergrössertem Masstab wiedergegebene skizzenhafte Darstellung der Kathodenanordnung, die einen Teil davon bildet.2 shows a sketch-like representation of the cathode arrangement, reproduced on an enlarged scale, which forms part of it.
Ein Rasterelektronenmikroskop nach der skizzenhaften Darstellung in Fig. 1 enthält in einerA scanning electron microscope according to the sketchy representation in FIG. 1 contains in one
609836/0829609836/0829
PHN 7896-26.5-75 PHN 7896-26.5-75
26046U326046U3
denanordnung 2 ist in Fig. 2 in vergrössertera Masstab dargestellt. Diese Kathodenanordnung ist aus einer Montageplatte 20 aufgebaut, auf der ein Stützdraht 21, zum Beispiel unter Einfügung eines Fernico-Mantels 22, montiert ist. An, in oder auf dem Stützdraht ist eine Kathodenspitze 23 angeordnet. Diese Spitze besteht hier aus einem Kerndraht 24 aus Wolfram, hat eine Dicke von z.B. 0,2 mm und eine Länge von z.B. 3 nun und läuft in eine Spitze 25 mit einem Krümmungsradius von z.B. 0,1 Mikrometer aus. Auf dem Kerndraht ist eine Schicht 26 aus emittierendem Material, hier Kohlenstoff, abgeschieden. Die Kohlenstoffschicht 26 hat eine Dicke von z.B. 0,025 bis 0,1 Mikrometer und ist beispielsweise durch Aufdampfen, Zerstäuben, Kontaminieren oder Pyrolyse angebracht. Zum Ausheizen der Kathodenspitze oder für ihre mögliche Erhitzung während des Betriebs besteht der Stützdraht aus einem elektrisch leitenten Material, z.B. Wolfram, und er ist mit Zuleitungen 27 versehen.The arrangement 2 is shown in Fig. 2 on an enlarged scale shown. This cathode arrangement is constructed from a mounting plate 20 on which a support wire 21, for example with the insertion of a Fernico jacket 22, is mounted. On, in or on the support wire a cathode tip 23 is arranged. This tip here consists of a core wire 24 made of tungsten, has a thickness of e.g. 0.2 mm and a length of e.g. 3 now and runs into a point 25 with a Radius of curvature of e.g. 0.1 micrometers. On top of the core wire is a layer 26 of emissive Material, here carbon, is deposited. The carbon layer 26 has a thickness of, for example, 0.025 to 0.1 micrometers and is, for example, by vapor deposition, sputtering, contamination or pyrolysis appropriate. To bake out the cathode tip or for its possible heating during operation the support wire consists of an electrically conductive material, e.g. tungsten, and it is supplied with leads 27 provided.
Bei der Anwendung einer Feldemissionselektronenquelle braucht die Kathode im Prinzip nicht erhitzt zu werden und sie kann also auf der Umgebungstemperatur gehalten werden. Es ist daher nicht notwendig, die Kathodenspitze so zu montieren, dass sie mit Hilfe eines elektrischen Stromes erhitztWhen using a field emission electron source, the cathode is not required in principle to be heated and so it can be kept at the ambient temperature. It is therefore it is not necessary to mount the cathode tip in such a way that it heats up with the aid of an electric current
6098 36/08296098 36/0829
PHN 7896. 26.5.75PHN 7896. 5/26/75
26U46Ü326U46Ü3
Hülle 1 eine Kathodenanordnung 2, eine Anode 3> eine Strahlrichtlinse h, eine Kondensorlinse 5j eine Abtastanordnung 6, eine Objektivlinse 7> eine Blende 8 mit einem Einstellmechanismus 9 und einen Objekt*· träger 10 mit einem Einstellmechanismus 11. Auf dem Objektträger kann ein Objekt 12 angeordnet sein, das von einem Elektronenstrahl abgetastet werden kann. Zum Detektieren von Strahlung, die nach der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Objekt, das Objekt verlässt, sind Detektoren 13 und 14 angeordnet. Diese Detektoren sind mit einer Detektionsanordnung 15 verbunden. Mit den Detektoren 13 wird Strahlung registriert, die das Objekt an der Auftreffseite verlässt. Diese Strahlung kann u.a. Sekundärelektronen, Reflektionselektronen und Elektromagnet strahlung enthalten. Mit dem Detektor 14 kann Strahlung registriert werden, die das Objekt an der der Auftreffseite abgewandten Seite verlässt und u.a. Streuelektronen, verzögerte Elektronen und Elektromagnetstrahlung enthält.Cover 1, a cathode arrangement 2, an anode 3> a beam directing lens h, a condenser lens 5j, a scanning arrangement 6, an objective lens 7> a diaphragm 8 with an adjusting mechanism 9 and an object carrier 10 with an adjusting mechanism 11. An object can be placed on the object carrier 12 be arranged, which can be scanned by an electron beam. Detectors 13 and 14 are arranged to detect radiation which leaves the object after the interaction between the electron beam and the object. These detectors are connected to a detection arrangement 15. The detectors 13 register radiation that leaves the object on the impact side. This radiation can include secondary electrons, reflection electrons and electromagnetic radiation. The detector 14 can be used to register radiation which leaves the object on the side facing away from the impact side and which contains, inter alia, scattered electrons, delayed electrons and electromagnetic radiation.
Ein Generator 16 speist die Abtasteinrichtung 6 und ist zur eindeutigen Ortsbestimmung im Objekt weiter mit der Detektoranordnung 15 und mit einem Monitor oder mit einer Aufzeichnungsanordnung 17 verbunden.A generator 16 feeds the scanning device 6 and is further with the detector arrangement 15 and 15 for unambiguous location determination in the object with a monitor or with a recording arrangement 17 connected.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Katho-A preferred embodiment of the catho-
609836/0829609836/0829
PHN 7896 26.5.75PHN 7896 5/26/75
werden kann. Vorzugsweise wird dies jedoch gemacht, weil es häufig erwünscht ist, die Kathodenspitze vor dem Gebrauch durch kurzes Erhitzen zu säubern.can be. Preferably, however, this is done because it is often desirable to have the cathode tip to clean by briefly heating before use.
Eine Feldemissionsquelle mit einer Kathodenspitze aus Wolfram zwingt zum Instandhalten eines Vakuums in der betreffenden Röhre mit einem Druck von höchstens ungefähr 10~ Torr. Für viele Anwendungen kann diese Bedingungen hier nur mit hohen zusätzlichen Kosten oder gar nicht erfüllt werden.A field emission source with a tungsten cathode tip forces one to be serviced Vacuum in the tube in question with a pressure of at most about 10 ~ Torr. For many uses these conditions can only be met with high additional costs or not at all.
In einer erfindungsgemässen ElektronenstrahlröhreIn a cathode ray tube according to the invention
_o ist ein Druck bis ungefähr 10 Torr zulässig. Ein derartiger Druck ist mit viel einfacheren Abdichtmitteln realisierbar und das Innere der Röhre braucht häufig nicht ausgeheizt zu werden. Ein höherer Druck kann zugelassen werden, wenn in einer erfindungsgemässen Elektronenstrahlröhre die Kathodenspitze während des Betriebs auf ungefähr 8000C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur liefert eine erfindungsgemässe Kathodenspitze in einem Raum mit einem Gas-A pressure of up to approximately 10 Torr is permissible. Such a pressure can be achieved with much simpler sealing means and the interior of the tube often does not need to be baked out. A higher pressure can be permitted if the cathode tip in a cathode ray tube according to the invention is heated to approximately 800 ° C. during operation. At this temperature, a cathode tip according to the invention delivers in a space with a gas
_7
druck bis zu ungefähr 10 Torr für eine sehr lange Zeit eine stabile Emission mit einem Emissionsrauschen von höchstens ungefähr 3 $ des Gesamtstromes.
Auch vergrössert sich die Durchschlagsfestigkeit der Kathode deutlich durch Erhitzung._7
pressure up to about 10 Torr for a very long time, stable emission with an emission noise of at most about 3 $ of the total current. The dielectric strength of the cathode also increases significantly through heating.
Der polykristalline Charakter der auf dem Kerndraht angeordneten Kohlenstoffschicht hatHas the polycrystalline character of the carbon layer arranged on the core wire
603836/0829603836/0829
PHN 7896PHN 7896
offenbar keinen nachteiligen Einfluss auf die Emissionseigenschaften des Kohlenstoffes. Der Kerndraht braucht jetzt im Gegensatz zu bekannten Wolfram-Kathodenspitzen die Anforderung einer Einkristallstruktur nicht zu erfüllen. Hierdurch kann zum Herstellen des Kerndrahtes auch von nicht orientiertem Draht ausgegangen werden. Der Kerndraht kann aus jedem Material mit einer vorzugsweise ziemlich guten elektrischen Leitfähigkeit, mit Aufbaueigenschaften, die die Bildung einer gut definierten Spitze erlauben, und mit einer ausreichendem Wärmefestigkeit zusammengestellt werden»apparently no adverse effect on the emission properties of carbon. In contrast to known tungsten cathode tips, the core wire now needs not meeting the requirement of a single crystal structure. This allows to manufacture of the core wire can also be assumed to be non-oriented wire. The core wire can be made from anyone Material with a preferably fairly good electrical conductivity, with structural properties, which allow the formation of a well-defined tip, and put together with sufficient heat resistance »
Die Erfindung nimmt eine starke Einschränkung zum Anwenden einer Feldemissionsquelle fort. Erfindungsgemässe Feldemissionsquellen können jetzt auch in Röhren angewandt werden, in denen nicht oder nur sehr schwer ein Druck unter 10 Torr aufrechterhalten werden kann. Der Anwendungsbereich der Erfindung umfasst daher neben den bereits erwähnten Rasterelektronenmikroskopen und sonstigen Elektronenmikroskopen auch Elektronenstrahlbearbeitungsgeräte, und insbesondere diejenigen, die für Mikrobearbeitungen, wie die Herstellung oder Bearbeitung von IC-Elementen, Röntgenröhren, insbesondere der sogenannten Feinfokusröhren, in denen eine Elektronenauf tref ff lache mit einer verhältnismässig geringenThe invention removes a severe limitation to employing a field emission source. Field emission sources according to the invention can now can also be used in tubes in which it is difficult or impossible to maintain a pressure below 10 torr can be. The scope of the invention therefore includes in addition to those already mentioned Scanning electron microscopes and other electron microscopes also electron beam processing devices, and especially those used for micromachining, such as the manufacture or machining of IC elements, X-ray tubes, in particular the so-called fine focus tubes, in which electrons are absorbed hit ff lache with a relatively small one
609836/0829609836/0829
PHN 26.5.75PHN 5/26/75
Abmessung wenigstens in einer einzigen Richtung abgestrebt wird, Bildröhren zur Formung von Bildern mit einem hohen Auflösungsvermögen, u.dgl. ausgerüstet sind. Da die Kathodenspitze auch erst später mit einer Emissionsschicht versehen werden kann, kann die Spitze auf dem Stützdraht montiert werden, indem sie in einer Bohrung im Stützdraht angeordnet und danach durch Abscheiden von Wolfram beispielsweise aus Wolframliexafluorid eine feste gegenseitige Verbindung gebildet wird. Mögliches auf der Emissionsspitze abgeschiedenes Wolfram bildet keinen Nachteil, weil sie noch mit emittierendem Material bedeckt wird und die Kristallorientierung an der Spitze also unwichtig ist. Ein Vorteil dieser Montage ist, dass scharfe Übergänge vermieden werden, die leicht elektrische Durchschläge veranlassen. Für manche Elektronenstrahlröhre ist es möglich, die Kathode mit nur dem mit einer Spitze versehenen Kerndraht zu montieren und durch Kontamination von Kohlenstoffverbindungen oder Kohlenwasserstoffen, die sich sowieso in der Röhre befinden, eine Kohlenstoff schicht auf der Kathodenspitze anzubringen.Dimension is strived at least in a single direction, picture tubes for forming images with a high resolution, and the like. Since the cathode tip also later with an emission layer can be provided, the tip can be mounted on the support wire by they are arranged in a hole in the support wire and then, for example, by depositing tungsten made of tungsten laxafluoride a solid mutual bond is formed. Possible tungsten deposited on the emission tip does not constitute a disadvantage, because it is still covered with emissive material and the crystal orientation is on top so is unimportant. One advantage of this assembly is that sharp transitions are avoided easily cause electrical breakdowns. For some cathode ray tubes it is possible to use the Cathode to assemble with only the tipped core wire and avoid contamination of Carbon compounds or hydrocarbons, which are in the tube anyway, a carbon layer to be attached to the cathode tip.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung enthält die Elektronenstrahlröhre eine mehrfache Kathode. Dies kann auf einfache Weise dadurch verwii\klicht werden, dass auf einemIn a further preferred embodiment according to the invention, the cathode ray tube contains a multiple cathode. This can be easily managed by using a
60983 6/082960983 6/0829
— Q —- Q -
PHN 7896 26.5.75PHN 7896 5/26/75
26U460326U4603
Träger mehrere Kathodenspitzen montiert und mit einer Emissionsschicht versehen werden. Da für den Kerndraht von gut bearbeirbarem und ausreichend steifem Material ausgegangen werden kann, ist eine exakte Positionierung der Kathodenspitzen gegeneinander und in der Röhre verhältnismässig einfach erreichbar. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine derartige mehrfache Kathode durch Anbringen einer Matrix von Kathodenspitzen auf einem Block Trägermaterial, wie Wolfram, zum Beispiel mittels Funkenerosion oder auf einem Block Silizium durch Ätzen. Die auf diese Weise gebildeten und fertiggestellten Kathodenspitzen können wieder mit einer gewünschten Emissionsschicht versehen werden.Carrier mounted several cathode tips and with one Emission layer are provided. As the core wire is made of easily machinable and sufficiently stiff material can be assumed, is an exact positioning of the cathode tips against each other and in the tube relatively easy to reach. In a further preferred embodiment, such is multiple cathode by attaching a matrix of cathode tips to a block of carrier material, such as Tungsten, for example by means of spark erosion or on a block of silicon by etching. That way formed and finished cathode tips can be provided again with a desired emission layer.
Derartige mehrfache Kathoden können zum Beispiel im bereits erwähnten Elektronenstrahlbearbeitungsgerät und insbesondere zum Herstellen von Schaltungseinheiten mit mehreren gleichförmigen Elementen, wie IC-Elementen auf Druckverdrahtungsplatten, angewandt werden. Eine weitere Anwendung der Erfindung umfasst eine Röntgenröhre, die mit einer derartigen mehrfachen Kathode ausgerüstet ist und wobei zum Beispiel der aus jeder der Kathodenspitzen herrührende Elektronenstrahl einen aus unterschiedlichem Material bestehenden Teil der Anode trifft. Hierdurch können Röntgenstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlängenteilung erzeugt werden.Such multiple cathodes can for example in the already mentioned electron beam processing device and in particular for the production of circuit units with several uniform elements, such as IC elements on print wiring boards. Another application of the invention includes an X-ray tube equipped with such a multiple cathode and wherein, for example, the electron beam emanating from each of the cathode tips consists of a different material Part of the anode meets. This allows X-rays can be generated with different wavelength division.
609836/0829609836/0829
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OHJ | Non-payment of the annual fee |