Автоэмиссионный катод

Автоэмиссионный катод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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