Автоэмиссионный катод
Изобретение относится к электронике, в частности к холодным катодам, и может быть использовано в электронных приборах, например электронных микроскопах и установках электронной литографии . Сущность изобретения заключается в том, что в катоде, содержащем эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранном в диапазоне 0,1 - 0,4 мкм. 1 табл, 3 ил.
(sx) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН
К ПАТЕНТУ
Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5021846/21 (22) 14.01.92 (46) 30.11.93 Бюл. Иа 43-44 (76) Афанасьев Владимир Александрович; Булычев
Николай Иванович; Киселева Татьяна Вениаминовна; Лазарев Михаил Юрьевич; Чупина Маргарита
Сергеевна (54) АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД (57) Изобретение относится к электронике, в частности к холодным катодам, и может быть использо(19) Кц (11) 2004028 Cl вано в электронных приборах, например электронных микроскопах и установках электроннои литографии. Сущность изобретения заключается в том, что в катоде, содержащем эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранном в диапазоне 0,1—
0,4 мкм. 1 табл, 3 ип.
OI .Г 4 с1
Изобретение относится к электронике, может быть применена B рвали?Ных электронных приборах, использующих Высакоинтенсивный электронный зонд vB;io(0 диаметра.
В npovû!LfëBHHûx элBктрОн!?Ых микрО скопах известна использование острийных вольфрамовых автозмисс?ланных катодов. имеlоших Оадиус эмиттируюшеГО Острия I x х10 мкм и менее, Для обеспечения устоь, -2 чивой работы такого I(BTQpB необходима (10!5 8 -i>KB I4qI6 в прикагодной Области BBKijg
l4B 10 мм pT.cT., чтО Являетс5 Беcü?43 сло>к", ; — с. . .. ной, 2 В оте-?ественной промышленности пака не 06!LIBH на!4 техн ичесKOЙ 33ДачBЙ, Существе?1ным прBимущестБОМ 3ВтО
ЭМИ С iOHI!b!X КБТОДОБ Иэ М(- ТБРИБЛОВ HB OC нове vi" ÃB!pîðB я Бляетс51 их 1, (>тойчивая рабатаспасобность В Вак1!умB 110 — !0 .".1м
;7 ., -Б
P 1 CТ
У?ЗВ6,THÛ 3Б Г0314ИССИОН НЫБ !:3ТОДЫ ИЗ
УГЯБРОДных нитей ДиаметРом 5-3 l4KP„BIvIYiтиаующBЙ паверхч00 Гью кбтсрь:x 38v>K!IT поверхность ci10143 Волокна без .ополни;ельной Обработки, Однако из--33 множест3PН Н ОСГИ Це>i ТРОБ ЭМИССИИ К33 OДЫ ТЗ КОЙ
:01-? Стру?(1.,:. и I".6 обга,,:,ают неабход((мой васи роизВОДи 10cTL 10 и с?абиГ1 ЬНОст iQ эмиссиОН НЫХ XBLBK i 66PNCT14K, ПО ВЬ?ш ение с: аби1л ьности !; Iocl i pQI",3ВОдимост!4 эмиссионных характеаистик до
СТИГН VTQ Б КОНС РУКЦИИ К;-TОДОВ Из
УГЛ6РОДНЫХ ВОЛОКО? I С 330СТР6НIIЫМИ В6P шинами, НаибОГ?66 блиЗк-"Iм к изааретенYliG
ЯВЛЯЕТСЯ 3ВТОЭМ!4CCИОННЫЙ KBTOi, ИЗ Vf!16родногс Волокн".. эмиттирующв о:(Он;BHие
КО Горо ГО и МСБТ КОНИ -16СКу О 4. Орм у С i438? Ы1" 1 радиуcoi" кривизны Вершины, 0,2--0.5 .мкм и
V 6 i B6, 33 K PP 0Л Е Н НОГО HB Ii48 i BB! ii! ii! PC KOI4 Держателе, выполHBHíîì В виде дужки и3 проВОЛОКИ.
Автоэмиссионные катоды, имеющи такую форму змиттирую цего окончания Боn0 KH8. формиpyIGT расходяшийся электронныЙ пОтОк с телBсным > "i>QM, пае вос>,одящим 60, и, следовательно, их элеко
TPOHHO 0ÏÒÈ×8ÑÊBß ЯОКОСТЬ ОГНОСИТЕЛЬНО невысока. Кроме того. При такой форме эмиттиру,ощего Окончания 80!10КНВ углеродные катоды характеризу?отся множестВЕН НОСТЬ?0 L!BHTPQB ЭМИССИИ И ИХ последовательной работой, что приводит к
"мерцанию" электронного пят? э, и, наконáц, таKОй Kатад имеет ОграH?4HBнный срок
Службы Yi3-38 р33 p !Шения QCTpY?5!»011 ljB!4CTвием элек1ронной бомбардировки.
Вместе с тем для радикального улучшения основных параметров приборов, прлменяющихся при исследовании и обработке
RQBBpXH0CTY, ТБКИХ KBK разрBШа?ощая Ci?05
Г
2б (0
25 !
? 01
55 (абнаГ""? .,1 аа; ъ 1 0 ", 43обра>кения I4 бф 1стродействие несбхQ";;:;мы катоды, формиру ащие злек-,pOнные потоки, локализованные в сравнительно малом телесном угле и обладаюьцие высокой злектроННо-Оптической 5?pKQGTüþ, пОстаянным свечBнием злBктроннОГО пятна и павышенНай ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ.
Изабрете??ие направлено HB повышение электронна-оптической яркости автоэмиссионнаго катода, однородности эмиссии и долговечности.
?ехническая 33Дача рBшаетсЯ тем, чта в автоэмиссионнам катоде, содеажашем эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом л рч(атеГ16 на веашине 1?Глеаоднаго волокHB ВдОль 8ГО продольной Оси Бь? полнBна уГлубление диаме?рам. Выбранным В диапазоне О,"-0.4 мкм, Эффект повышения электронно-оптической яркости автозмиссиан,?ога катода связан c лок(ализацией эмиссии в малом телесном угГ?8 и абьясняется фокусирующим действием крамак и стенок углубления, в ре3уль?ате че? О GCHGBH351 Часть -IpBBKTO рий электронов прах(?дит Б приосевой области, формируя электронный поток высокой интенсивнасги, малого поперечнога сечения, лс1кал?1заван>?Ь?Й в малом телесном угле.
В заявляемой канс.?-рукции в приосевую обла ", I води;;ся Yi! I 6:"ð35! ьный злектронHl=; iс ПО?01(14 аки?4 образом ус ред няется эмисс?4я мном:.ества центров и устраняется
i4 i Ð i B PI I4 Э Л 6: T -,-I 0 I I!Y i Pг; П Я Т?? I P 8$(fl B I.BB" мая форма эмиттиру?с щей поверхносги пад ейс;-вием и?н ной б -,??ба диаовки?103 чески 1„6 из?Иеь?яется, что 01бусловливает вы ,0Kу1а ДОЛГОББЧНОСТЬ pBuQТЫ КБТОД3.
Отличие =-аявляемой KGHcTpyKqYi!4 от прототипа состоит Б форме эмитирующей поверхности: в прототипе зто острие с малым радиусам кривизны, а в заявляемой конструкции на вершине заточенного волокна па его оси имев.гся углубление, осуществляющее сведение электронного луча Б однородный поток высокой интенсивности с малым Qаперечным сечением.
ВыбОО GflTYif альной формы и раз IBp(13 углубления на Вер?Бине заточенного углеродного волокна произведен на основе электронна-апти ?еского расчета в сис?еме катод-анод и под! Бержд6н паактикои. Критерием расчета я Бля5!Осc a00 f I4x(BH YiB макс?:.?43льной элек1pQHHG Оптической яркостгi, На фиI-, 1 изобра>хе?. автоэмиссионны ., катод, в катаром углерадное вол(экно "1, явля iющееся c05cTBBчна эмиттером 38!(1- ", Н0 ii3 ВОл ьфоамавОЙ ДУ>(KB Д8РА(ателе 2; на
2004028 фиг.2 приведена злектрднно-микроскопическая фотография окончания заостренного углеродного волокна с углублением на вершине оси (увеличение 50000 Х); на фиг.3 показаны контуры пучка в электронно-опти- 5 ческой системе с катодом, имеющим полусферическое углубление диаметром 0,2 мкм, где на вершине углеродного волокна 1 вдоль его продольной оси выполнено углубление 3. 10
Конфигурация углубления (цилиндрическая, коническая либо полусферическая), а также его высота согласно проведенным расчетам и практике на сходимость электронного пучка и электронно-оптическую яр- 15 кость не сказывается, поскольку из-за резкого спада электрического поля по высоте углубления эффективно работает лишь кольцо, высотой, не превосходящей его диаметр, приле>кащее к кромке углубления. 20
Выбор оптимального значения диаметра углубления проводили в диапазоне его изменения. от 0,05 до 0,6 мкм, Расчетным путем установлено существование оптимального размера углубления; при диамет- 25 ре D и высоте Н углубления 0,2 мкм достигается максимальное расчетное значение электоонно-оптической яркости, равное 3,5 .10 А/см . Отклонение диаметра
2 углубления от оптимального размера в сто- 30 рону уменьшения сопровождается понижением общего тока с катода, а в сторону увеличения — повышением расходимости электронного потока. Обе эти причины приводят к уменьшению и электронно-оптиче- 35 ской яркости, и при диаметре, меньше 0,1 мкм и большем 0,4 мкм, значение электронно-оптической яркости падает на 1 — 1,5 порядка в сравнении с максимальной величиной. 40
В таблице приведены полученные расчетным путем значения основных параметров заявляемого катода при изменении диаметра D углубления от 0,05 до 0,6 мкм.
Пример. Опытную эксплуатацию 45 электронной пушки с автозмиссионным катодом из заточенного углеродного волокна
1 диаметром 7 мкм, закрепленного на вольфрамовой дужке-держателе 2 и имеющего на вершине воронкообразное углубление 50 диаметром 0,2 мкм, проводили в составе низкоэнергетического сканирующего электронного микроскопа в режиме
Вакуум в районе катода, мм рт.ст.
Накал дужки-держателя, A
Вытягивающее напряжение. кВ 4
Апертура электронного пучка в объективе, рад 10
-3
Общий ток эмиссии. мкА 4-5
Ускоряющее напряжение, кВ 0,04-1
Испытания пушки с автозмиссионным катодом из углеродного волокна с воронкообразным углублением диаметром 0,2 мкм подтвердили, что он формирует электронный поток с малым энергетическим разбросом электронов. Угол расхождения пучка эмиссии, определенный по следу на первой диафрагме, 80, Определенная по экспериментальным данным электронно-оптическая яркость превосходит 1 10 А/см ср.
Время наработки катода превосходило
1000 ч.
Кроме. того, получены снимки топологии фоторезиста на кремниевой пластине при ускоряющих напряжениях 40, 150, 200, 500, 700 В и 1 кВ. В диапазоне ускоряющих напряжений 40 — 150В достигнута разрешаю0 щая способность 70 — 100 А, соответствующая теоретическим возможностям низкоэнергетического сканирующего электронного микроскопа.
Основные технические результаты изобретения связаны с высокой локализацией эмиссии в малом телесном угле.и высокой электронно-оптической яркостью.
Эксплуатация электронных пушек с заявляемыми катодами в разрабатываемых отечественных низкоэнергетических сканирующих электронных микроскопах и устаНоВКВх электронной литографии привела к повышению разрешающей способности и производительности аппаратуры, а использование в электронных микроскопах типа
Квикскан американского производства привело к существенному повышению контрастности изображения в режиме упруго отраженных электронов. (56) Фрейберг Г.Н. Изготовление тонких автозмиссионных эмиттеров. Приборы и техника эксперимента. N. 6, 1967. с,176, Патент Англии М 1434189, кл. Н 01 J 9/02, 1970.
2004628
Параметры
0,05
0.1
0,2
0,4
0,6
1.0
ДН {мкм}
0,18
30 10 ср
2,24 10
54,2
2,2 10
3,9 101О
5,5 10
1 1,7
9,9 10
7,7 10
1,3.10
1,8
7,5 10
44 ° 1011
7,2 .10
370,1
01
3,68 10 . 1,6 10
П р и м е ч а н и е: p — угол граничной траектории пучка с осью симметрии; Q — полный телесный угол пучка; Ек — реальное значение поля на катоде: Ек = К Ер сч., где К вЂ” коэффициент усиления поля; ln — плотность автоэмиссионного тока для т/ = 4 э8; S3 — площадь реально эмиттирующей поверхности углубления; = полный ток автоэмиссии; Овирт — диаметр виртуального катода, Sggpy — площадь виртуального катода; — электронно-оптическая яркость пучка. Максимальное отклонение траекторий пучка р от оси составляет 0,4 .
Формула изобретения тем, что на вершине углеродного волокна вдоль его продольной оси выполнено углубление диаметром, выбранным в диапазоне 0,1-0,4 мкм.
АВТОЭМИССИОННЫЙ КАТОД,. содержащий эмиттер из углеродного волокна конической формы, закрепленного на металлическом держателе, отличающийся
Е» (В/см) ! и (А/см ) Sç ( 2.6 10". 7,1 10 7,6 10 4,6 10 5,2 10 0,24 56 10 ср 3,4 10 1,7 104 „, „-1О 0,35 1,2 10 ср 3,5 10 2,8 10 42 10 О 0,51 25 10 ср 3 53 10 3,2 10 1,7 10 0.,62 36 10 ср 3,53 10 3,3 10 3,8 10 123,9 3,8 101 1,12 10 9 3.10 0,80 6,1 10 ср 3,55 10 3,5 10 10,5 109 Состави е. ы. Афа(-. асьев Техред I,:::. морг-..:;тял.: Коррек.rop C, H3cKo Редактор T. Юрчикова Заказ 332б Тираж Подписное heal. с - с| в--енса 113035, Мо,:;;.üâ. i -35, -:::-:ушская наб., 4/5 Производственно-издательский ко.",би,-.а-. "Па-ен t, r, Ужгород, ул.Гагарина, 101