JPS6057651B2 - thermionic emission cathode - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は内硼化カルシウム型結晶構造に関するアルカ
リ土類金属又は稀土類金属の内題化物の単結晶をチップ
状の陰極とする熱電子放射陰極に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a thermionic emission cathode in which a chip-shaped cathode is a single crystal of an alkaline earth metal or rare earth metal having an internal calcium boride type crystal structure.

一般にこの種の硼素化合物（一般式ＭｅＢ。This type of boron compound (general formula MeB) is generally used.

）は熱的に安定で、その仕事関数はタンングステンより
も約２〜３ｅＶ低い上、高温での蒸気圧も低く、従つて
長寿命を維持しうることから電子線分析機器或は電子ビ
ーム露光装置等に使用される高輝度電子銃の陰極材料と
して注目されている。このような陰極材料として好まし
い要件は、仕事関数が小さいことの他に長時間安定した
電子ビームを持続することである。) is thermally stable, its work function is about 2 to 3 eV lower than that of tungsten, and its vapor pressure at high temperatures is also low. Therefore, it can maintain a long life, so it is used in electron beam analysis equipment or electron beam exposure. It is attracting attention as a cathode material for high-intensity electron guns used in equipment. Preferred requirements for such a cathode material are that it maintains a stable electron beam for a long period of time, in addition to having a small work function.

而して、安定した電子ビームを得るのは多結晶体より、
単結晶の方が優れているがその仕事関数］で゛− ゛
−ー０１■Ｒｊ、一 −Ｌ、八 罵 Ｈ陰極チップの軸
の好ましい結晶方位は、（１に１００＞、＜１１０＞、
＜１１１＞又は（２）＜１０５＞、＜２０３＞、＜３１
３＞、＜２１２＞、＜１１２＞、＜１１４＞で囲まれる
範囲であることが知られている。Therefore, it is better to obtain a stable electron beam than with polycrystalline materials.
Single crystal is better, but its work function is ゛− ゛
-01 ■Rj, 1 -L, 8 The preferred crystal orientations of the axes of the H cathode tip are (1 to 100>, <110>,
<111> or (2) <105>, <203>, <31
3>, <212>, <112>, and <114>.

そして従来の陰極は、単結晶陰極チップの軸を特定の結
晶方位に一致させた後、その一端を６００〜９００の先
端角度を有する円錐状に研摩し、更にその先端を曲率半
径が１〜５００μｍＲである球面に研摩することによつ
て製作されている。In conventional cathodes, after aligning the axis of a single crystal cathode tip with a specific crystal orientation, one end of the tip is polished into a conical shape with a tip angle of 600 to 900, and the tip is further polished with a radius of curvature of 1 to 500 μm. It is manufactured by polishing it into a spherical surface.

このようにして製作された従来のＬａＢ６単結晶陰極チ
ップの一例の先端部の形態は、第１図のようであつて、
このチップ軸方位は、単結晶の＜２１０＞方位に一致さ
せてあり、先端角度は６００、先端曲率半径は１０μｍ
である。The shape of the tip of an example of the conventional LaB6 single crystal cathode chip manufactured in this way is as shown in FIG.
The tip axis direction is made to match the <210> direction of the single crystal, the tip angle is 600, and the tip radius of curvature is 10 μm.
It is.

この単結晶陰極チップを１５５０℃に加熱し、加速電圧
をチップの軸方向に印加した時に得られる電子ビームの
クロスオーバー像は、第２図に示すように、中心に１つ
、そしてその外周部に５つの明るいスポットが分布した
ものとなる。When this single-crystal cathode chip is heated to 1550°C and an accelerating voltage is applied in the axial direction of the chip, the crossover image of the electron beam obtained is one in the center and one on the outer periphery, as shown in Figure 2. There are five bright spots distributed in the area.

クロスオーバーにおける電子ビームの特性（強度分布な
ど）は最終的に使用される電子ビームの特性を決定する
重要な要因であるが、電子顕微鏡や電子ビーム露光機な
どでは電子ビームが単一スポットで、しかもガウス分布
型の強度分布を有することが必要であり、多重スポット
のあられれる上例のような電子ビームは適当でない。こ
れを解決するため、従来はバイアス電圧を更に高くして
、多重スポットを１つのスポットに絞り込んで使用して
いたが、この場合には得られる電子ビーム（見掛上の単
一スポット）の絶対強度が多重スポットの場合よりも小
さくなり、輝度が低下する。このような問題は、上例の
く２１０〉方位の場合だけではなく他の方位でも生じ、
〈１００〉，〈１１０〉，〈１１１〉方位ではそれぞれ
４つ、２つ、３つの多重スポットの電子ビームのクロス
オーバーが得られる。The characteristics of the electron beam at crossover (intensity distribution, etc.) are important factors that determine the characteristics of the electron beam that is ultimately used. However, in electron microscopes and electron beam exposure machines, the electron beam is a single spot Furthermore, it is necessary to have a Gaussian intensity distribution, and the electron beam as in the above example, which has multiple spots, is not suitable. In order to solve this problem, conventionally the bias voltage was further increased and the multiple spots were narrowed down to a single spot. The intensity is lower than in the case of multiple spots, and the brightness is reduced. Such problems occur not only in the case of the 210〉 direction as in the above example, but also in other directions,
In the <100>, <110>, and <111> directions, electron beam crossovers of four, two, and three multiple spots are obtained, respectively.

この場合にも、バイアス電圧を更に高くして見掛上単一
スポットの電子ビームとすると、勿論その輝度は低下す
る。本発明者等の実験によれば、熱電子放射陰極一ウエ
ーネルト電極一陽極の基本構成からなる所謂三極電子銃
では、加速電圧によつて引き出される電子ビームは、単
に陰極先端の球状部分からだけではなく、特に円錐状部
分（以下、“゜コーン゛という）からの放射電子もまた
寄与していることが見出された。In this case as well, if the bias voltage is further increased to form an apparently single-spot electron beam, the brightness will of course decrease. According to experiments conducted by the present inventors, in a so-called triode electron gun consisting of a thermionic emitting cathode, a Wehnelt electrode, and an anode, the electron beam extracted by the accelerating voltage is generated only from the spherical part at the tip of the cathode. Instead, it was found that emitted electrons, especially from the conical part (hereinafter referred to as "cone"), also contributed.

従つてＭｅ八単結晶熱電子放射陰極においては、高輝度
の結晶面、即ち低仕事関数の結晶面がコーン上にあるこ
とが高輝度電子ビームを得るために必要である。また、
単一スポットの電子ビームを得るためにはコーン上、及
び先端球状部に分布する各結晶面の仕事関数はほぼ同等
のものでなければならず、仕事関数に差がある場合には
電子ビームの強度分布はガウス分布からはずれ、多重ス
ポットの電子ビームが生ずる。本発明者等のＬａＢｅ，
単結晶について各結晶面の．仕事関数の測定結果によれ
ば、〔２１０〕ステレオ投影図上において〔２１０〕結
晶方位を中心とする〔２３１〕，〔２４１〕，〔３１０
，１，〔３２０〕と等価の各結晶方位で囲まれた範囲内
の結晶方位に対応する各結晶面の仕事関数は２．１〜２
．２ｅＶと低！く、かつ各結晶間の仕事関数の差も極め
て小さい。Therefore, in the Me octa-crystal thermionic emission cathode, it is necessary that a high-brightness crystal plane, that is, a low work function crystal plane, be on the cone in order to obtain a high-brightness electron beam. Also,
In order to obtain a single spot electron beam, the work functions of each crystal plane distributed on the cone and the spherical tip must be approximately the same, and if there is a difference in work function, the electron beam The intensity distribution deviates from a Gaussian distribution, resulting in a multi-spot electron beam. The inventors' LaBe,
of each crystal plane for a single crystal. According to the measurement results of the work function, [231], [241], [310] centered on the [210] crystal orientation on the [210] stereo projection diagram
, 1, [320] The work function of each crystal plane corresponding to the crystal orientation within the range surrounded by the equivalent crystal orientations is 2.1 to 2.
．． Low at 2eV! Moreover, the difference in work function between each crystal is also extremely small.

また、同時に測定した結果によれば、（１００），（１
１０），（１１１），結晶面の仕事関数はそれぞれ２．
４ｅＶ，２．５ｅＶ，３．３ｅＶと大きい値であつた。
第３図は陰極チップ先端角度αと熱電子放射可能な結晶
面との関係を示したもので、陰極チップの方位を〔Ｈｋ
ｌ〕とした場合には、〔Ｈｋｌ）ステレオ投影図上で、
中心方位から９００−α／２の角度範囲（図中斜線部）
にある結晶方位に対応する結晶面が熱電子放射をおこす
。Also, according to the results of simultaneous measurements, (100), (1
10), (111), the work functions of the crystal planes are 2.
The values were large, 4eV, 2.5eV, and 3.3eV.
Figure 3 shows the relationship between the cathode tip tip angle α and the crystal plane capable of emitting thermionic electrons.
l], on the [Hkl] stereo projection diagram,
Angular range of 900-α/2 from the center direction (shaded area in the figure)
The crystal plane corresponding to the crystal orientation in , causes thermionic emission.

そして中心方位から９０が−α／２の円上にある結晶方
位に対応する結晶面が陰極チップのコーン上に分布する
結晶面であり、その円の内部にある結晶方位に対応する
結晶面が陰極チップ先端の球面上に分布する結晶面であ
る。（なお、第３図は一般的な説明のためのものでしか
ない）第４図はＭｅＢ６の結晶構造である立方晶系結晶
”における〔０１２〕，ステレオ投影図である。The crystal planes corresponding to the crystal orientations lying on the circle with -α/2 at 90 from the center direction are the crystal planes distributed on the cone of the cathode tip, and the crystal planes corresponding to the crystal orientations inside the circle are the crystal planes distributed on the cone of the cathode tip. These are crystal planes distributed on the spherical surface of the tip of the cathode tip. (It should be noted that FIG. 3 is for general explanation only.) FIG. 4 is a stereo projection view of [012] in "cubic crystal" which is the crystal structure of MeB6.

仕事関数の値が特に小さくしかもほぼ一様な領域、即ち
〔２３１〕，〔２４１〕，〔３１０〕，〔３２０〕と等
価の方位で囲まれる結晶方位の領域を斜線で示してある
。この図から明らかなように、ＭｅＢ６単結晶チップを
用いる熱電子放射陰極において、チップの軸を〈２１０
〉方位、先端角度を１６０以上とすれば、〔０１２〕ス
テレオ投影図において中心方位〔０１２〕から９００−
１６０に／２＝１００の範囲内の結晶方位に対応する結
晶面が電子を放射することになるが、この範囲は上述し
た仕事関数が小さく、しかも均一な領域、即ち〔２３１
〕，〔２４０，〔３１０〕，〔３２０〕と等価の方位で
囲まれる領域内にあるので、高輝度で単一スポットの電
子ビームが得られる。これに反し、〈２１０〉方位で先
端角度を６０スとした場合にはチップ先端球面上に４ケ
所、コーン上に５ケ所、それぞれ仕事関数の小さく均一
な領域が分布するため、第５図に示すような多重スポッ
トの電子ビームが生ずるから、この状態でバイアス電圧
を高くしていくと或る範囲までは多重スポットが接近す
るにしたがつて、輝度も増大するが単一スポットを形成
させるために更にバイアス電圧を高めると輝度が急減し
て却つて目的を達しない結果になる。A region where the value of the work function is particularly small and almost uniform, that is, a region of crystal orientation surrounded by orientations equivalent to [231], [241], [310], and [320] is indicated by diagonal lines. As is clear from this figure, in a thermionic emission cathode using a MeB6 single crystal chip, the axis of the chip is set to <210
〉If the azimuth and tip angle are 160 or more, 900 - from the center azimuth [012] in the [012] stereo projection view.
Crystal planes corresponding to crystal orientations within the range of 160/2=100 will emit electrons, but this range is a region where the above-mentioned work function is small and uniform, that is, [231
], [240, [310], and [320], so a high-intensity, single-spot electron beam can be obtained. On the other hand, when the tip angle is set to 60 degrees in the <210> direction, there are four uniform regions on the spherical surface of the tip tip and five locations on the cone, each with a small work function. Since an electron beam with multiple spots as shown in the figure is generated, if the bias voltage is increased in this state, the brightness will increase as the multiple spots approach each other up to a certain range, but in order to form a single spot, If the bias voltage is further increased, the brightness will decrease sharply and the objective will not be achieved.

本発明は、ＭｅＢ６単結晶の陰極チップの軸を〈２１０
〉方位と５６以内の範囲で一致させ、かつチップ先端の
開き角度（頂角）を１６０せ以上とすることによりクロ
スオーバーが多重スポットとならず、低バイアス電圧で
も単一スポットで、しかも従来のＭｅＢ６熱電子陰極よ
りも高輝度の電子ビームが得られる熱陰極を提供するも
のである。In the present invention, the axis of the MeB6 single crystal cathode tip is
>By matching the azimuth within a range of 56 degrees and by setting the opening angle (apex angle) of the tip tip to 160 degrees or more, the crossover does not result in multiple spots, and even at low bias voltage, it is a single spot, and moreover, compared to conventional The present invention provides a hot cathode that can provide an electron beam with higher brightness than a MeB6 thermionic cathode.

本発明におけるＭｅＢ６単結晶は、フローティング・ゾ
ーン法（帯溶融法）、フラックス法、アーク・メルト法
等の手段によつて育成されるが、どのような手段で育成
されたものであつても、純度が高い単結晶であればよい
。また陰極は、陰極材料（Ｍｅ八単結晶）を加熱して熱
電子放射を起こさせ、放射された熱電子を加速電界によ
つて加速し、引き出す、所謂０熱電子放射陰極ョである
。以下、本発明を実施例によつて詳しく説明する。実施
例１ フローティング●ゾーン法によつてＬｌＢ６単結晶を育
成し、く２１０〉を軸方位とする単結晶から先端角度１
６０１のチップを得た。The MeB6 single crystal in the present invention is grown by means such as a floating zone method (zonal melting method), a flux method, an arc melt method, etc., but no matter what method it is grown, Any single crystal with high purity may be used. The cathode is a so-called zero thermionic emission cathode in which the cathode material (Me single crystal) is heated to cause thermionic emission, and the emitted thermionic electrons are accelerated and extracted by an accelerating electric field. Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to Examples. Example 1 A LlB6 single crystal was grown by the floating zone method, and the tip angle was 1 from the single crystal with the axial direction of 210〉.
I got 601 chips.

また比較のために先端角度６０１のチップも作製した。
これらのＬｌＢ６単結晶チップを用いた熱電子放射陰極
を、チップ〜ウエーネルト間０．２Ｔｎ！ｎ陰極温度１
５５０、加速電圧２０ＫＶで作動させ、バイアス電圧と
電子ビームの輝度、及びクロスオーバー像を測定した。
第５図はバイアス電圧と輝度の関係を示したものである
。For comparison, a tip with a tip angle of 601 was also fabricated.
A thermionic emission cathode using these LlB6 single crystal chips has a distance between the chip and Wehnelt of 0.2Tn! n cathode temperature 1
550, and was operated at an acceleration voltage of 20 KV, and the bias voltage, electron beam brightness, and crossover image were measured.
FIG. 5 shows the relationship between bias voltage and brightness.

先端角度１６００のものは、常に単一円形スポットのク
ロスオーバーを生じ、しかもその最高輝度は３×１Ｃｆ
３Ａｍｐ／Ｄ．ｓｔｒと高い値を示した。これに対し先
端角度６００のものは、最高輝度を与えるバイアス電圧
でも６つの多重スポットのクロスオーバーを生じ、単一
スポットにするにはバイアス電圧をさらに高くする必要
があつた。しかもその時の輝度は４×１ＣＰＡｍｐ／Ｃ
ｒｌ・Ｓｔｒと低いものであつた。実施例２ フローティング・ゾーン法によつて育成したＬｌＢ６単
結晶から先端角度１６００で、チップの軸が〈２１０〉
方位からそれぞれ５６，１００ずれた陰極チップを作製
し、実施例１と同様の実験を行つた。The one with a tip angle of 1600 always produces a single circular spot crossover, and its maximum brightness is 3×1Cf.
3Amp/D. It showed a high value of str. On the other hand, with the tip angle of 600, crossover of six multiple spots occurred even at a bias voltage that gave the highest brightness, and it was necessary to increase the bias voltage even higher to achieve a single spot. Moreover, the brightness at that time was 4×1CPAmp/C
It was as low as rl/Str. Example 2 A tip angle of 1600 and a tip axis of <210> from an LlB6 single crystal grown by the floating zone method.
Cathode chips each deviated from the orientation by 56 and 100 degrees were produced, and the same experiment as in Example 1 was conducted.

〈２１０〉方位から５１ずれたチップは円形の単一スポ
ットのクロスオーバーを示し、最高輝度も２．８×１Ｃ
ｆ′Ａｍｐ／Ｃｌｔ−Ｓｔｒと〈２１０〉方位に一致し
たチップと同等の性能を示した。これに対し、〈２１０
〉方位から１０をずれたチップは、単一ではあるが半円
形のクロスオーバーを示し、しかも最高輝度が９×旬Ｅ
ｍｐ／Ｃｌｌ・ｓ囮こ低下した。これは第４図のステレ
オ投影図からも容易に理解できるように、チップの熱電
子放出領域に仕事関数の高い面が一部存在するからであ
る。実施例３ｃｅＢ６単結晶から軸方位く２１０〉、先
端角度１７０６のチップを得、熱電子放射陰極として、
実施例１と同一条件で輝度を測定した。The chip shifted by 51 points from the <210> orientation shows a circular single spot crossover, and the maximum brightness is also 2.8×1C.
It showed the same performance as the chip that matched f'Amp/Clt-Str with the <210> orientation. On the other hand, <210
〉A chip that is deviated from the azimuth by 10 shows a single but semicircular crossover, and the maximum brightness is 9×ShunE
mp/Cll・s decoy decreased. This is because, as can be easily understood from the stereo projection diagram of FIG. 4, there are some surfaces with a high work function in the thermionic emission region of the chip. Example 3 A chip with an axial orientation of 210〉 and a tip angle of 1706 was obtained from a ceB6 single crystal, and was used as a thermionic emission cathode.
Brightness was measured under the same conditions as in Example 1.

最高輝度は２．９×１０３Ａｍｐ／Ｃｌｔ−ＳｔＩ′で
あつた。実施例４実施例１で用いた２種類の熱電子放射
陰極を走査型電子顕微鏡で作動させた。The maximum brightness was 2.9 x 103 Amp/Clt-StI'. Example 4 The two types of thermionic emitting cathodes used in Example 1 were operated in a scanning electron microscope.

先端角度６００のものは良好な画像を得るためには１６
０００Ｃに加熱することが必要で、寿命は３００時間で
あつた。これに対し、先端角度１６００のものは１５３
０℃の低温でも十分に良好な画像が得られ、低温で作動
しているためにＬｌＢ６の蒸発が少く、１００Ｃ＠間以
上の寿命を示した。上述１．，たことから明らかなよう
に本発明陰極チップを採用することにより、電子ビーム
露光においては低域度・高分解能のレジスト材の使用を
可能にし、超ＬＳＩの微細パターンの線巾を更に細くし
、集積度を向上させ、また描画の高速度化を可能にする
。For those with a tip angle of 600, it is necessary to obtain a good image with a tip angle of 16
It required heating to 000C and the lifespan was 300 hours. On the other hand, the tip angle of 1600 is 153
Sufficiently good images were obtained even at a low temperature of 0°C, and because it was operated at a low temperature, there was little evaporation of LlB6, and it showed a lifespan of 100°C or more. Above 1. As is clear from the above, by adopting the cathode chip of the present invention, it is possible to use a resist material with low frequency and high resolution in electron beam exposure, and the line width of the fine pattern of VLSI can be further narrowed. , which improves the degree of integration and enables faster drawing speeds.

また従来よりも低い陰極温度で高性能の電子ビームを得
ることができるので、陰極材料（ＭｅＢ６単結晶）の蒸
発が少くなり、陰極の長寿命化を可能にするものである
。Furthermore, since a high-performance electron beam can be obtained at a lower cathode temperature than in the past, evaporation of the cathode material (MeB6 single crystal) is reduced, making it possible to extend the life of the cathode.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来のＬａＢ６単結晶熱電子放射陰極チップの
先端部分の説明図、第２図は従来のく２１０〉ＬａＢ６
単結晶チップから得られるクロスオーバーを示す図、第
３図イ，口は単結晶陰極チップの先端角度と熱電子放射
可能な結晶面の関係を示す〔Ｈｋｌ）ステレオ投影図、
第４図は立方晶系結晶の〔０１２〕ステレオ投影図、第
５図はＬｌｌＢ６単結晶熱電子放射陰極の輝度の大きさ
を示す図である。Figure 1 is an explanatory diagram of the tip of a conventional LaB6 single crystal thermionic emission cathode chip, and Figure 2 is an explanatory diagram of the tip of a conventional LaB6 single crystal thermionic emission cathode chip.
A diagram showing the crossover obtained from a single-crystal chip;
FIG. 4 is a [012] stereo projection diagram of a cubic crystal, and FIG. 5 is a diagram showing the brightness of an LllB6 single crystal thermionic emission cathode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] １ アルカリ土類金属又は稀土類金属の六硼化物であつ
て、六硼化カルシウム型結晶構造に属する単結晶を陰極
チップとする熱電子放射陰極において、該単結晶チップ
の軸＜２１０＞結晶方位と５０以内の角度範囲にあり、
かつ該単結晶チップの先端角度が１６０゜以上であるこ
とを特徴とする熱電子放射陰極。1. In a thermionic emission cathode whose cathode tip is a single crystal of an alkaline earth metal or rare earth metal hexaboride that belongs to the calcium hexaboride type crystal structure, the axis <210> crystal orientation of the single crystal tip and within the angle range of 50,
and a thermionic emission cathode characterized in that the tip angle of the single crystal tip is 160° or more.