DE3039283A1

DE3039283A1 - Feldemissionskathode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE3039283A1
Application number: DE19803039283
Authority: DE
Inventors: Yasuharu Chofu Tokyo Hirai; Shigeyuki Hachioji Tokyo Hosoki; Susumu Higashimurayama Tokyo Kawase; Hideo Tokio Todokoro; Shigehiko Tokorozawa Saitama Yamamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-10-19
Filing date: 1980-10-17
Publication date: 1981-05-14
Also published as: NL8005772A; US4379250A; DE3039283C2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldemissionskathode, wie sie für Elektronenstrahlkanonen in Elektronenstrahlgeräten wie wissenschaftlichen Geräten und in Elektronenstrahllithographiegeräten verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung 'der Feldemissionskathode.

Bei einer Feldemissionskathode wird die Emission von Elektronen bewirkt, indem ein negatives Potential an eine nadeiförmige Spitze und ein positives Potential an eine dieser gegenüberliegende Anode gelegt wird. Damit läßt sich ein Feldemissionselektronenmikrobild gewinnen, wenn als Anode ein fluoreszierender Schirm verwendet wird. Das Feldemissionselektronenmikrobild zeigt üblicherweise ein geometrisches Muster, das die kristallographischen Regelmäßigkeiten des die Spitze bildenden Metalls wiederspiegelt. Ausgedrückt in Emissionwinkel erscheint das Mikrobild gesehen von der Spitze in einem Bereich von ungefähr 1 rad.

In der Praxis der Verwendung der Feldemissionskathode wird jedoch nur ein Bruchteil des erwähnten breiten Emissionswinkels ausgenutzt. Der Emissionswinkel wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Schema der Figur 1 erläutert, die eine elektronenoptisches System zur Elektroneristrahlbündelung in einer die Feldemissionskathode verwendenden Elektronenstrahlkanone zeigt. Auf eine nadeiförmige Feldemissionskathodenspitze 1, welche auf die Mitte eines haarnadelförmigeh Fadens 2 aufgeschweißt ist, wird die Spannung der Spannungsquelle 5, die bezüglich einer ersten Anode 3 negativ ist, gegeben, wodurch Elektronen durch Feldemission

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aus der Spitze der Kathode 1 austreten. Die ausgetretenen Elektronen verteilen sich, wie oben erwähnt, über einen Emissionswinkel von ungefähr 1 rad. Der Elektronenstrahl 16, der eine öffnung 15 der ersten Anode 3 durchlaufen hat, wird durch die Wirkung einer elektrostatischen Linse, welche durch eine Potentialdifferenz zwischen der ersten Anode 3 und einer zweiten Anode 4, die mit einer Spannungsquelle 6 verbunden sind, erzeugt wird, gebündelt, und liefert auf einer geeigneten Konvergenzebene 17 einen feinen Elektronenstrahlpunkt.

Der Elektronenstrahlpunkt läßt sich noch weiter verfeinern, indem man die Bündelung durch Kombination magnetischer Linsen wiederholt. Aus den im folgenden erwähnten Gründen werden die emittierten Elektronen, die als eine Elektronensonde 16 verwendet werden können, durch die öffnung der ersten Anode 3 eingegrenzt. Eine elektronenoptische Linse zeigt nämlich eine unkorrigierbare Aberration, unabhängig davon ob es sich um eine elektrostatische oder um eine magnetische Linse handelt. Die sphärische Aberration nimmt dabei den größten Anteil ein. Da die sphärische Aberration so groß ist, wird der ausgenützte Elektronenstrahl 16 auf die Umgebung der optischen Achse 18 beschränkt. Wenn der Koeffizient der sphärischen Aberration mit Cs und der öffnungswinkel des Elektronenstrahls 16 mit α bezeichnet wird, gilt ferner, daß die Aberration durch Cs α gegeben ist. Um also einen feinen Elektronenstrahl 16 mit möglichst geringer Aberration zu erhalten, muß der öffnungswinkel α auf einen kleinen Bereich eingeschränkt werden. Bei in der Praxis verwendeten Geräten beträgt der öffnungswinkel α ungefähr α < 10 rad. Nimmt man die Stromdichteverteilung in der ersten Anode 3 als gleichförmig an, dann ist das Verhältnis von Raumwinkel der gesamten Elektronenemission (1 sr) zum Raumwinkel des durch die öffnung 15

2 gehenden Elektronenstrahls 16 (πα ) gleich dem Verhältnis von Gesamtstrom der Feldemission zum Strom des feinen Elektronenstrahls 16. In der Praxis ist jedoch wegen der

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kristallographischen Regelmäßigkeiten die Stromdichte in der ersten Anode 3 nicht gleichförmig. Ferner ist das axiale Azimut der Spitze 1 so gewählt, daß die Stromdichte des Feldemissionselektronenmikrobilds im Mittelteil, hoch wird. In dem oben erwähnten FailWimtnt daher das Verhältnis des Gesamtstroms zum ausgenutzten Strom einen Wert von ungefähr 1000 :1 an. ""·"■■■' :

Bei den in der Praxis verwendeten Geräten ist es andererseits erforderlich, den Elektronenstrahl so fein wie möglich zu bündeln und einen-möglichst großen Strom (im folgenden als Sondenström bezeichnet) zu ziehen. Beispielsweise ist ein Gesamtemission&strom der Größenordnung 1 mA notwendig, um einen Sondenström der Größenordnung 0,1 μΑ zu erzielen. --" - ~^:- -■-'"■'- - -- - ~ ~- ^; ^ Bei einem -festen Vakuumdruck wird andererseits der Feldemissionsstrom um so stabiler, je niedriger der Strom ist. Mit zunehmendem Strom nehmen auch die Stromschwankungen zu, d.h., der Feldemissionsstrom wird instabil. Ferner ist für einen bestimmten Strom der Strom umso stabiler, je geringer der Vakuumdruck ist. Wenn man also versucht, einen großen Gesamtemissionsstrom zu erzielen, werden die Stromschwankungen so stark, daß das Gerät unbrauchbar wird. In der Praxis ist es selbst bei einem Vakuumdruck

in einer gewöhnlichen Vakuumkammer von ungefähr 6,7 · 10 Pa

— 10
(ungefähr 5 · 10 Torr) extrem schwierig, einen stabilen Feldemissionsstrom von 100 μΑ über längere Zeiten hinweg zu ziehen. Alles in allem ist'es also schwierig, größere Sondenströme zu erreichen. - - ■ --"■'-Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue FeIdemissionskathode, die stabil einen hohen Sondenstrom erzeugte und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen. Hierzu schlägt die Erfindung vor, daß ein Metall über Sauerstoff auf den Oberflächen der Kathodenspitze,in einer solchen Dicke adsorbiert wird, daß diese nicht die Dicke einer monoatomaren Lage*überschreitet, wobei das Metall

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BAD ORIGINAL

eine Austrittsarbeit hat, die kleiner als diejenige des die Kathodenspitze bildenden Metalls ist, und ein Oxid dieses Metalls wiederstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen ist, wodurch erreicht wird, daß die Austrittsarbeit auf den Oberflächen der Kathodenspitze vermindert ist.

Die Erfindung beruht damit auf der Tatsache, daß die Erzeugung von Feldemissionselektronen in einem besonderen engen Bereich von Kristallebenen der Kathodenspitze leicht ist, wenn die monoatomaren Schichten aus Sauerstoffmolekülen und Metallatomen auf den Oberflächen der nadeiförmigen Feldemissionskathodenspitze adsorbiert sind. Mit der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung läßt sich so der Gesamtemissionsstrom auf einen Bereich einschränken, der ausgedrückt als Feldemissionswinkel ungefähr 1/4 rad oder weniger beträgt.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind
Figur 1 eine Darstellung des allgemeinen Aufbaus eines optischen Systems zur Elektronenstrahlbundelung in einer Elektronenstrahlkanone, die eine Feldemissionskathode verwendet,

Figur 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Adsorptionsmenge und der Austrittsarbeit zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung,

Figuren 3A und 3B schematische Darstellungen des Adsorptionszustands bei der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Figur 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für die Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

Figuren 5A und 5B schematische Darstellungen von Feldemissionselektronenmikrobildern der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung,

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Figur 6 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Adsorptionsmenge und dem Feldemissionsstrom der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung, Figur 7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Kathodentemperatur und der Winkeleingrenzung

der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung, Figur 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Kathodentemperatur und der Drift der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung, Figuren 9A bis 9C Darstellungen zur Veranschaulichung der Herstellungsschritte zur Erzeugung von Feldemissions*· kathoden gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung/

Figur 10 eine Darstellung des Aufbaus zur Messung der Eigenschäften der Feldemissionskathode der Figur 9C₇ Figuren 11 und 12A bis .12E schematische Darstellungen von Feldemissionselektronenmikrobildern der Feldemissionskathode der Figur 9C und

Figur 13A und 13B Darstellungen zur Veranschaulichung der Herstellungsschritte zur Erzeugung von FeIdemissionskathoden gemäß weiterer Ausführungsformen der Erfindung .

Das Material zur Herstellung einer nadeiförmigen Kathode zur Verwendung bei der Erfindung sollte ein hochtemperatur-■ beständiges Metall, etwa Wolfram oder Molybdän, sein, das die Form einer nadeiförmigen Spitze auch beibehält, wenn es hohen Temperaturen unterworfen worden ist, und bei dem die Oberflächen der Spitze gereinigt werden können. Ferner muß es möglich sein, das Metall durch elektrolytisches Polieren zu einer nadeiförmigen Spitze zu verarbeiten. Auf die sauberen Oberflächen der Spitze wird ein Metall in einer Dicke, die gleich oder größer als die Dicke einer monoatomaren Schicht ist, aufgedampft, wobei das Metall eine Atis~ ."". trittsarbeit hat, die geringer als diejenige des Materials der Spitze ist und sein Oxid beständig gegenüber hohen

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Temperaturen ist. Das heißt die Spitze wird, wenn sie aus Wolfram (W) oder Molybdän (Mo) besteht, mit Aluminium (Al), Chrom (Cr), Cer (Ce), Magnesium (Mg), Titan (Ti), Silizium (Si), Zirkon (Zr), oder Hafnium (Hf) in einer Dicke beschichtet, die gleich oder größer als die Dicke der monoatomaren Schicht ist. Dann wird in die Vakuumkammer, in der sich die Spitze befindet, Sauerstoffgas eingeleitet, so daß eine monoatomare Schicht aus Sauerstoffmolekülen an den Oberflächen der Spitze adsorbiert

.10 wird. Im Falle des Sauerstoff gases entspricht diese Belüftung ungefähr 1 L (Langmuir). Daher sollte die Belüftung eine Sekunde lang durchgeführt werden, wenn der Druck 1,33 · 10~⁴ Pa (1 · 1O~⁶ Torr) beträgt, und 1OO s lang, wenn der Druck 1,33 · 10~⁶ Pa (1 - 10~⁸ Torr) beträgt.

Danach wird das Sauerstoffgas abgepumpt und die Spitze 10 bis 60 s bei einer Temperatur von 1300 bis 1500 ⁰C, wobei diese von der aufgedampften Substanz abhängen kann, unter Vakuumbedingungen, unter denen die Feldemission bewirkt werden kann, wärmebehandelt, um so die Spitze; auf die die Erfindung abzielt, auszubilden. Die so hergestellte nadeiförmige Kathodenspitze aus Wolfram oder Molybdän emittiert Elektronen im wesentlichen allein aus der.(100)~ Ebene, womit man ein Feldelektronenmikroskop erhält, dessen Emissionswinkel auf ungefähr 1/4 rad vermindert ist.

Die Grundlagen der Erfindung sind noch nicht in allen Einzelheiten geklärt, da der Krümmungsradius der Spitze nur 100 nm beträgt und die Spitze, auf der Atome oder Moleküle in einer einer Monoschicht vergleichbaren Dicke adorbiert sind, Eigenschaften zeigt, die von den Kristallebenen abhängen. Grundsätzlich jedoch kann man hinsichtlich der Grundlagen der Erfindung von folgendem ausgehen.

Zur Vereinfachung der Beschreibung sei angenommen, daß die Spitze aus Wolfram besteht. Wenn eine Substanz mit einer Austrittsarbeit, die kleiner als diejenige von Wolfram ist, auf die Oberfläche des Wolfram aufgedampft wird, hat

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ORIGINAL INSPECTED

die Oberflächenausferittsarbeit. -den durch Kurve 19 -. in Figur 2 angegebenen Verlauf. Das heißt, wenn die Dicke des aufgedampften Metalls ungefähr eine 0,7 Monoschicht von Atomen ist, nimmt die Austrittsarbeit bezüglich der Austrittsarbeit <!> von Wolfram ihren kleinsten Wert an und nimmt dann allmählich wieder-zu. Die -Austrittsarbeit geht ungefähr in die Sättigung, wenn die Dicke des aufgedampften Metalls diejenige einer Monoschicht von Atomen übersteigt und nähert sich dann allmählich der Austrittsarbeit Φ_Μ des aufgedampften Metalls. Dies geht auf.die Tatsache zurück, daß das Oberflächenpotentials auf der Oberfläche des Wolfram sich durch die Adsorption des aufgedampften Metalls verändert, wofür;:allgemein folgendes angenommen wird. Die Erscheinung, die auf der Oberfläche des Wolfram stattfindet, ist ein Vielkörperproblem, das sich aus der Bindung vieler-Atome in der Oberfläche und aus adsorbierten Atomen ergibt, und wird als System der Bindung eines Atoms in.der Oberfläche-mit einem adsorbierten Atom betrachtet. Das elektrische Dipolmoment, das zwischen dem Atom in der Oberfläche und dem adsorbierten Atom entsteht, läßt sich nach Malone beruhend auf dem Konzept der Elektronegativität- folgendermaßen ausdrücken:

μ = Xad - Xo _; (1)

Hierbei bezeichnet Xad die Elektronegativität des aufgedampften Metalls und Xo die Elektronegativität von Wolfram. Andererseits besteht die Gordy-Thomas—Beziehung zwischen der Elektronegativität Xo und der Austrittsarbeit Φ, die folgendermaßen ausgedrückt werden.kann:

Xo = 0,44 Φ - 0,15 - (2)

Die durch die Adsorption bewirkte Änderung ΔΦ der Austrittsarbeit ist proportionalzum JDipolmoment μ und zu der Anzahl η von pro Einheitsflache adsorbierten Atomen

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BAD ORfGiNAL

und läßt sich daher ausdrücken als

ΔΦ = 2 ττμη = 2 im (Xad - Xo) (3)

Daher wird die in Figur 2 gezeigte Änderung der Austrittsarbeit durch die Aufdampfung eines Metalls mit geringerer Austrittsarbeit als Wolfram erzeugt, d.h. erzeugt durch die Aufdampfung eines Metalls mit kleiner Elektronegativität, bevor sich der Effekt der Adsorption als wieder positiv zeigt. Die Adsorption einer Monoschicht von Atomen ± bedeutet, daß die Adsorption in einem Ausmaß bewirkt wird, das mit der Atomdichte auf der Oberfläche des Wolfram übereinstimmt. Wenn das Metall in stärkerem Ausmaß als der Monoschicht von Atomen adsorbiert wird, nimmt die Anzahl η der Atome in Gleichung (3) nicht mehr zu. Ferner nimmt die Austrittsarbeit minimale Werte über eine Atomschicht von 0,7 bis 1 vermutlich in Folge der Tatsache an, daß die adsorbierten Atome, die auf der Wolframoberfläche diffundieren können und beträchtliche Freiheitsgrade haben, eine Zunahme des elektrischen Dipolmoments (Moment y) ermöglichen.

Im folgenden wird nun der Fall betrachtet, daß· nicht nur Metall, sondern auch Sauerstoffmoleküle adsorbiert werden. Wenn, wie in Figur 3A gezeigt, zunächst Metall M auf die Oberfläche des Wolfram aufgedampft wird und dann Sauerstoffmoleküle adsorbiert werden, wird angenommen, daß infolge einer Chemisorptxonsreaktion, die einer gewöhnlichen Oxidation ähnelt, obwohl die Anordnung abhängig von der Reaktivität des aufgedampften Metalls M mit Sauerstoff gas O₂ unterschiedlich sein kann, die Sauerstoffatome (-moleküle) zwischen dem Wolfram und dem aufgedampften Metall M angeordnet werden. Das Metall, das mit Sauerstoff reaktionsfähig ist, erzeugt obige Reaktion unter in Nähe von Raumtemperatur liegenden Bedingungen. Figur 3B zeigt ein Modell, das jedoch nicht die Einzelheiten der Bindungen veranschaulichen soll.

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ORIGINAL IiMSPECTED

Mit der durch das Modell der Figur 3B wiedergegebenen Anordnung, die sich von der Adsorption des Metalls allein unterscheidet, wird angenommen, daß sich die Aüstrittsarbeit stärker ändert, als nach der Größe des Dipolmoments anzunehmen ist. Wenn der Ionenradius des adsorbierten Metallatoms mit r_M und der Ionenradius bzw. der Radius der kovalenten Bindung des Sauerstoffatoms mit tq bezeichnet wird, läßt sich die Änderung der Austrittsarbeit durch die folgende Beziehung angeben:

r_ + r

ΔΦ = 2 irn(Xad - Xo) — (4)

^rG

Wenn man annimmt, daß r~ gleich r_M ist, dann ist die Änderung ΔΦ etwa doppelt so groß, wie wenn die Metallatome adsorbiert sind.

Selbst bei Verwendung von Polykristallen ist infolge des Kornwachstums bei der Erwärmung die nadeiförmige Spitze in einem großen Korn in einem kugelförmigen Bereich eines Krümmungsradiusses von ungefähr 100 nm enthalten. Das heißt, daß die Spitzenoberfläche in jedem Fall als eine Einkristalloberfläche betrachtet werden kann. Es ist bekannt, daß sich die Austrittsarbeit von Wolfram abhängig von den Kristallebenen ändert, weshalb die Austrittsarbeit Φ bzw. die Elektronegativität Xo genau genommen,abhängig von den Kristallebenenrmit $_hkn ^{oder X}hkl ^bezeicllnet werden muß. Tabelle 1 zeigt Werte für die Kristallebenen. Mit der Adsorption W-O-M gemäß Figur 3B ergibt sich, wenn sich die Austrittsarbeit auf allen Kristallebenen gleichförmig ändert, auch nach der Adsorption keine Änderung des Feldemissionselektronenmikrobilds; das elektrische Feld für das Ziehen des Stroms nimmt einfach ab. Wenn sich die Austrittsarbeit jedoch gemäß Gleichung (4) ändert, ergibt sich eine offensichtlich andere Verteilung des Feldemissionselektronenmikrobilds. Wenn ferner die Monoschichten aus Sauerstoff und Metall adsorbiert sind, bestimmt die Anzahl

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adsorbierter Atome eine atomare Dichte auf der Oberfläche jeder der Kristallflächen, vorausgesetzt man kann die Haftungswahrscheinlichkeit für Wolfram als 1 auf jeder der Kristallebenen annehmen, wobei die Dichte die in Tabelle 1 gezeigten Werte. Tabelle 1 stellt berechnete Beispiele dar, wenn Cer oder Titan auf sauerstoffadsorbiertem Metall adsorbiert ist.

Tabelle 1

	(110)	Kristallebene	(100)	(111)	(611)
	5,10	(211)	4,64	4,61	4,64
saubere W-Ober- flache Austrittsarbeit (eV)	14,1	4,69	10,0	5,8	3,3
Oberflächendichte (- 1O¹⁴/cm²)	2,10	8,2	1,89	1,88	1,89
Elektronegati- vität (Pauling- Einheiten)	2,1	1,92	3,0	3,7	4,1
Austrittsarbeit W-O-Ce (eV)	3,1	3,3	3,7	4,1	4,3
Austrittsarbeit W-O-Ti (eV) _r ι	3,9

Die berechneten Resultate zeigen, daß die (110)-Ebene die kleinste Austrittsarbeit und die (100)-Ebene die zweitkleinste Austrittsarbeit hat. Dies steht im Widerspruch zu der Tatsache, daß im Falle von Wolfram das Emissionselektronenmikrobild im wesentlichen auf die (100)-Ebene beschränkt ist. Die Gründe hierfür sich die folgenden. Die Berechnung wurde nämlich mit einer Haftungswahrscheinlichkeit von 1 in allen Kristallebenen und mit einer atomaren Dichte η

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auf der Oberfläche durchgeführt. Es ist jedoch anzunehmen, daß in Wirklichkeit die Haftungswahrscheinlichkeit von der Kristallebene abhängt.. Das heißt, die (110) -Ebene ist von den Kristallebenen des Wolfram die thermisch stabilste und bildet die ebenste und breiteste Oberfläche, wenn sie als die nadelförmige Spitze verwendet wird. Es ist bekannt, daß die Haftungswahrscheinlichkeit auf einer solchen Ebene abnimmt, weshalb die Austrittsarbeit auf der (110)-Ebene in Wirklichkeit nicht so kleine Werte wie in Tabelle 1 hat. Bezüglich anderer Ebenen bestehen keine ernsthaften Unterschiede. Aus den erwähnten Gründen ist es also halbquantitativ verständlich, daß das Emissionselektronenmikrobild im wesentlichen auf die (100)-Ebene der Wolframspitze eingeschränkt ist, wenn Monoschichten eines Metalls mit kleinerer Austrittsarbeit als Wolfram und von Sauerstoff adsorbiert sind. Die Austrittsarbeiten auf der (100)-Ebene nach der Adsorption des Metalls, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, stehen in guter Übereinstimmung mit Werten, die man experimentell durch die Fowler-Nordheim-Auftragung der Feldemission erhält.

Obige Erscheinungen gelten auch für Molybdän, das eine geringfügig kleinere Austrittsarbeit als Wolfram hat. Das gleiche gilt auch bezüglich anderer Metalle hinsichtlich der Beschränkung des Emissionselektronenmikrobilds auf eine bestimmte Kristallebene, wobei allerdings oft das Emissionselektronenmikrobxld in einer anderen Kristallebene erscheint.

Ferner gilt, daß die aus einem zu adsorbierenden Metall und Sauerstoff bestehenden Monoschichten nach der Erfindung chemisch verbunden sind, wie sich aus der Analyse mit einem Oberflächenanalysator, etwa röntgenangeregter Photoelektronenspektroskopie, ergibt. Dies heißt.mit anderen Worten, daß die Monoschicht aus Atomen als ein Metalloxidfiliri betrachtet werden kann. Wenn das Metall adsorbiert und in einer die der Monoschicht aus Atomen übersteigenden Dicke oxidiert wird, nehmen jedoch die Austrittsarbeiten zu und

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es kommt zu keinem Elektronenaustritt, es sei denn, daß man sehr hohe elektrische Felder anlegt. Daher unterscheidet sich die aus einem zu adsorbierenden Metall und Sauerstoff bestehende Monoschicht nach der Erfindung sehr stark von einem Dünnfilm eines gewöhnlichen Oxids, das auf der Oberfläche der Spitze ausgebildet wird.

Die Feldemissionskathode gemäß der Erfindung wird im folgenden anhand einer Ausführungsform konkret erläutert. Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der Feldemissionskathode gemäß der Erfindung. Ein haarnadelförmiger Wolframdraht 2 mit einem Durchmesser von 0,15 mm wird mit aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehenden Stäben 14 verschweißt, die an einem Glasträger 7 befestigt sind. Ein <100>-orientierter Einkristall mit einem Durchmesser von 0,15 mm, der auf den Mittelteil des haarnadelförmigen Wolframdrahts 2 aufgeschweißt ist, wird zur Herstellung einer Spitze 1 unter Verwendung einer wässerigen NaOH-Lösung elektrolytisch poliert. Darauf wird ein elektrischer Strom durch den haarnadelförmigen Wolframdraht 2 geschickt, um die in einer Ultrahochvakuumkammer liegende Spitze 1 zu einer Reinigung ihrer Oberflächen plötzlich auf eine hohe Temperatur zu erwärmen. Dabei ermöglicht die Verwendung eines fluoreszierenden Schirms als Anode die Gewinnung eines Feldemissionselektronenmikrobilds einer sauberen Wolframoberfläche mit der (100)-Ebene als Mitte wie es in Figur 5A gezeigt ist, wobei dort dunkle Abschnitte eine geringe Stromdichte und Abschnitte mit horizontalen Linien, Abschnitte mit schrägen Linien und weiße Abschnitte Stromdichten haben, die in der genannten Reihenfolge zunehmen. Der Bereich, in dem das Elektronenmikrobild gesehen wird, entspricht einer öffnung bzw. einem Winkel von ungefähr 1 rad (1 sr als Raumwinkel) der in Figur 1 als Emissionswinkel gezeigt ist. Es wird ein Titandraht 8 eines Durchmessers von 0,3 mm zu einem Kreis eines Durchmessers von 10 bis 15 mm an einer Stelle ausgebildet, die sich im Abstand von ungefähr 5 mm von der Spitze zur

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Anode 11 hin befindet, über eine Spannun.gsquelle 12 wird dem Titandraht 8 ein elektrischer Strom zugeführt, um ihn auf 1400 ° bis 1500 ⁰C zu erwärmen, wodurch Titan auf die Spitze 1 aufgedampft wird.

Die Aufdampfmenge läßt sich folgendermaßen steuern. An die Spitze 1 wird mittels einer Spannungsquelle 5 eine so hohe Spannung gelegt, daß der elektrische Strom, den der die Anode bildende fluoreszierende Schirm 11 erhält, ungefähr 0,1 μΑ beträgt^ Mit dem Aufdampfen: von Titan nimmt bestimmt durch die in Figur 2 dargestellte Aus- m trittsarbeit der elektrische Strom zu, d.h., der elektrische Strom hat entsprechend dem Verlauf der Austrittsarbeit in Figur 2 durch ein Minimum, wie in Figur 6 gezeigt, ein Maximum und nähert sich dann einem bestimmten Wert an. Das Maximum kann als 0,7 Monoschicht von Atomen betrachtet werden bzw. die Monoschicht von Atomen läßt sich direkt aus dem Wendepunkt der Kurve der Figur 6 auffinden. Titan sollte in einer solchen Menge aufgedampft werden, daß es eine Minimummonoschicht von Atomen bildet. Eine überschüssige Abscheidung durch die Aufdampfung kann durch einen nachfolgenden Schritt der Verdampfung vermindert werden. Danach wird zur Bewirkung einer Belüftung von wenigstens ungefähr 1 Langmuir Sauerstoffgas eingeleitet. Danach wird der Sauerstoff zur Herstellung des ursprünglichen Vakuumdruckes wieder evakuiert und im Wolframfaden 2 über eine Spannungsquelle 13 zur Erwärmung der Spitze 1 ein elektrischer Strom erzeugt. Die Aufheiztemperatur und die Aufheizzeit hängen von der Menge des durch die Aufdampfung abgeschiedenen Titans und dem Ausmaß, in dem es dem Sauerstoffgas ausgesetzt ist,ab, sollte jedoch üblicherweise im Bereich zwischen 1300 und 1500 ⁰C für 10 bis 60 s liegen. Auch bei einer unter 1300 ⁰C liegenden Temperatur kann die Behandlung im gleichen Ausmaß bewirkt werden, wenn die Erwärmung über längere Zeiten fortgesetzt wird, dies ist jedoch ineffizient. Unter einer.

Temperatur von 800 C zeigt die Wärmebehanldung keinen .

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Effekt. Deshalb sollte die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 800 C durchgeführt werden. Wenn andererseits die Temperatur höher als 1500 ⁰C ist, dann kommt es zu einer Zerstörung der adsorbierten Schicht, wenn die Erwärmung auf mehr als 60 s ausgedehnt wird.

Bei obigem Herstellungsschritt kann ferner die Spitze 1 auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden, indem dem Faden 2 zur weiteren Förderung der Oxidation ein Strom zugeführt wird, nachdem die Spitze 1 dem Sauerstoffgas ausgesetzt worden ist. Figur 5B zeigt ein Feldemissionselektronenmikrobild der so hergestellten Feldemissionskathode. Bei dem Elektronenmikrobild der sauberen Oberfläche, das in Figur 5A gezeigt ist, ist die Stromdichte auf der zentralen (100)-Ebene sehr gering, während sich in Figur 5B das Elektronenmikrobild als auf einen Punkt mit der (100)-Ebene als Mitte beschränkt zeigt. Der Emissionswinkel entspricht der Verteilung des Elektronenmikrobilds. Daher ist, wenn der Emissionswinkel in Figur 5A 1 rad ist, der Emissiönswinkel in Figur 5B ungefähr 1/5 rad.

Das gleiche gilt auch, wenn ein Zirkondraht oder ein Hafniumdraht anstelle des Titandrahts oder wenn der Titan-: draht, Zirkondraht und Hafniumdraht in geeigneter Kombination verwendet werden.

Gemäß Figur 4 besteht eine weitere Ausführungsform in der Verwendung einer Heizung 9 aus einem Wolframdraht oder dergleichen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,3 mm anstelle des Titandrahts 8. In diesem Fall wurde ein Metall 10, das Aluminium Magnesium, Cer, Silizium oder Chrom oder eine Kombination dieser Metalle sein kann, durch Aufdampfen auf der Heizung 9 abgeschieden. Auch wenn die Abscheidungsmenge durch Aufdampfen nicht in der gleichen Weise wie bei der Verwendung eines Titandrahts bewirkt werden kann, sollte die Temperatur des aufzudampfenden Metalls korrekt gemessen werden, um vertrauend auf Annahmen bezüglich des Dampfdurchs eine Monoschicht von Atomen aufzudampfen. Die übrige Behandlung ist die gleiche wie bei der davor erwähnten Ausführungsform.

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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Metall nicht durch Aufdampfen adsorbiert, sondern es wird eine wasserlösliche Verbindung, etwa ein Nitrat, d.h. AlNO- oder MgNO-w oder ein Carbonat in Wasser bis zur Sättigung aufgelöst und die Spitze 1 in die wässerige Lösung getaucht. Nachdem die Spitze 1 trocken ist, wird sie in das Gerät eingesetzt, das in üblicher Weise evakuiert wird. Durch Wärmebehandlung bei 1300 ⁰C bis 1500 ⁰C unter Hochvakuumbedingungen läßt sich ein allein auf die (100)-Ebene begrenztes Emissionselektronenmikrobild gewinnen, ohne daß die Notwendigkeit besteht, Saustoffgas einzuleiten. Da Sauerstoff oft nur beschränkt verfügbar ist, wird eine Behandlung durchgeführt, die dem oben erwähnten Aussetzen am Sauerstoffgas entspricht. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird Sauerstoff durch die durch die Erwärmung bewirkte Zersetzung MgNOn —■*■ MgO + NO2 gebildet so daß ein Aussetzen an Sauerstoffgas oft nicht erforderlich ist.

Das nach obiger Ausführungsform gewonnene Elektronenmikrobild ergibt einen Emissionswinkel· von 1/4 bis 1/5 rad oder kleiner, was eine Erhöhung der Ausbeute des Sondenstroms in Bezug auf den Gesamtemissionsstrom ermöglicht. Ferner wird dadurch ein bislang schwierig zu erzielender großer Sondenstrom möglich, ohne daß der Gesamtemissionsstrom erhöht werden muß. Bei Anwendung in einer Elektronenstrahlapparatur muß der Gesamtemissionsstrim 30 μΑ sein, wenn ein Sondenstrom von 0,1 μΑ mit dem öffnungswinkel α. der Figur 1 von ungefähr 1 . 10 rad gezogen werden soll. Wenn eine übliche <310>-orientierte Spitze aus Wolfram oder Molybdän, die das größte Verhältnis von Gesamtemissionsstrom zu Sondenstrom ergibt, verwendet wird, ist dagegen ein Gesamtemissionsstrom von 1 mA notwendig, um auf einen gleichen Sondenstrom zu kommen. Bei Mehrzweckgeräten, wie Elektronenmikroskopen und Elektronenstrahllithographiegeräten, ist es jedoch sehr schwierig, einen Gesaititemissionsstrom von 1 mA aus der Feldemissionskathode zu ziehen, da

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es eine technische Grenze für das in der Elektronenkanonenkammer herstellbare Ultrahochvakuum gibt.

Wie obiger Vergleich zeigt, ist es dagegen mit der erfindungsgemäßen Kathode möglich, ohne Schwierigkeiten einen großen Sondenstrom zu erreichen, wie er bislang nur schwierig zu erzielen war.

Die gemäß der Erfindung verwendete Spitze besteht im wesentlichen aus Wolfram oder Molybdän. Die Spitze kann jedoch auch kombiniert mit irgendeinem anderen Material etwa dem unten erwähnten zu adsorbierenden Metall verwendet werden, vorausgesetzt, daß es einer Feldemissionskathode anpaßbar ist.

Die Anforderungen an das Metall, damit es zur Adsorbierung verwendet werden kann, sind, daß (i) das Metall eine Austrittsarbeit haben sollte, die kleiner als diejenige des Spitzenmaterials ist, daß (ii) das Oxid des adsorbierten Metalls gegenüber hohen Temperaturen beständig sein sollte, wobei angenommen ist, daß das mit dem Sauerstoff gekoppelte Metall im Hinblick auf eine hohe Temperaturbeständigkeit dem Oxid dieses Metalls äquivalent ist, und (iii) das Metall wie in den vorstehenden Ausführungsformen dargelegt nach einem möglichst einfachen Verfahren adsorbiert werden sollte.

Die Spitze gemäß der Erfindung hat eine geringe Austrittsarbeit verglichen mit nicht besonders behandelten Spitzen aus Wolfram oder Molybdän und bewirkt daher eine starke Abnahme des Emissionsstroms, wenn sie bei Raumtemperatur verwendet wird. Um die Stromdrift möglichst gering zu halten, sollte die Spitze gemäß der Erfindung

bei einer Temperatur von 750 ° bis 1000 ⁰C eingesetzt werden, um stabile Stromeigenschaften über längere Zeiten hinweg zu erhalten. Dieser Temperaturbereich wird so bestimmt, daß (i) die Untergrenze für die Heiζtemperatur relativ zu der Stromabnahme bestimmt wird, die durch durch die Spitze adsorbierte Restgasmoleküle im Vakuum verursacht wird, d.h.

so, daß der Strom, nach dem ein bestimmter Wert durchlaufen ist,

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nicht mehr abnimmt, und daß (ii) die Obergrenze für die Heiztemperatur so bestimmt wird, daß die aus einem adsorbierten Metall und Sauerstoff bestehende Monoschicht gemäß der Erfindung nicht thermisch zersetzt wird.

Wenn, wie oben erwähnt, ein <1OO>-orientierter Einkristall für die aus Wolfram oder Molybdän bestehende Spitze verwendet wird, gelangt die Mitte des Emissionswinkels in Übereinstimmung mit der optischen Achse, was große praktische Vorteile ergibt. Abhängig vom Zweck kann jedoch die Mitte des <310>-orientierten Emissionswinkels geringfügig gegenüber der optischen Achse versetzt sein.

Ferner wurden Experimente betreffend die Beziehung zwischen der Heiztemperatur und der Stromkennlinie für eine Feldemissionskathode durchgeführt, bei der Zirkon das zu adsorbierende Metall war. Dabei ergaben sich die folgenden Resultate.

Figur 7 zeigt den Zusammenhang zwischen der Kathodentemperatur und der Winkeleingrenzung. Das Verhältnis von

-4 Sondenstrom mit einem zentralen Raumwinkel· von 1,5 - 10 sr zum gesamten Emissionsstrom wird als Maß für die Winkeleingrenzung verwendet. Wie aus dem Verlauf der Kurve 20 ersichtlich ist, nehmen, wenn die Temperatur der Kathode 1200 K überschreitet, die Elektronen durch thermionische Emission von Elektronen zusätzlich zu den durch Feldemission·-erzeugten Elektronen zu, so daß der Effekt der Winkeleinschränkung schlagartig abfällt. Ohne daß dies dargestellt ist, nimmt der Sondenstrom mit der Heiζtemperatur der Kathode zu. Wenn die Temperatur jedoch 1500 K überschreitet, nimmt der Sondenstrom infolge der Tatsache ab, daß durch die hohe Temperatur die adsorbierte Schicht aus Zirkon zerstört wird.

Der instabile Strom, der gezogen wird, d.h. die Drift zeigt an, daß die Grenze für die Kathodentemperatur in einem tieferen Temperaturbereich liegt. Figur 8 gibt graphisch experimentelle Ergebnisse wieder, die die Beziehung zwischen der Drift und der Kathodentemperatur

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(Helligkeitstexnperatur) zeigen. Dabei wird ein Betrieb über mehr als vier Stunden als Langzeitbetrieb betrachtet, wobei der Betrieb unter ültrahochvakuumbedingungen von 6,5 · 10 Pa (5 · 1O~⁹ Torr) durchgeführt wird. Der Verlauf der Kurve 21 zeigt, daß die Drift stark zunimmt, wenn die Kathodentemperatur 1110 K überschreitet. Wenn der Betrieb unter Hochvakuumbedingungen von mehr als 6,5 · 1Q"~ Pa (5 · 10"⁹ Torr) aber weniger als 1,3 - 1O~⁷ Pa (1 · 1θ"⁸ Torr) durchgeführt wird, bleibt der Driftzustand gut bei Temperaturen bis hinauf zu 1250 K. Wie aus Figur 7 ersichtlich, nimmt jedoch die Winkeleingrenzung innerhalb dieses Temperaturbereichs ab und es ergeben sich praktische Probleme. Die Drift nimmt andererseits auch wieder zu, wenn die Kathodentemperatur weiter abnimmt. Der Grund liegt darin, daß im Vakuum vorhandenes Restgas auf der Oberfläche der Spitze 1 adsorbiert wird, und die Austrittsarbeit erhöht. Je besser das Vakuum ist, desto geringer ist auch die Drift. Die üntergrenze für die Kathodentemperatur ist jedoch selbst

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bei einem Vakuum von ungefähr 1,3 ■ 10 Pa (1 · 10 Torr) das den besten heute erreichbaren Wert darstellt, 1000 K. Das heißt, wenn die Kathode bei einer Helligkeitstemperatur zwischen 1000 und 1110 K betrieben wird, ist es möglich, unter Hochvakuumbedingungen einen stabilen Elektronenstrahl mit guter Winkeleingrenzung zu bekommen. Das gleiche gilt auch, wenn Hafnium anstelle von Zirkon verwendet wird.

Bei der erwähnten Feldemissionskathode, an der eine Monoschicht aus Atomen adsorbiert ist, wird die Stabilität verbessert, wenn die Spitze bei einer geeigneten Temperatur zur Verminderung der Drift des EmissionsStroms verwendet wird. Die optimale Heiζtemperatur ändert sich mit dem verwendeten Material und dem Vakuumdruck. Da ferner die Anhaftung in einer Dicke einer monoatomaren Schicht bewirkt wird, verkürzt sich die Lebensdauer, wenn die Heiztemperatur zu hoch ist. Wenn das durch Aufdampfen aufgebrachte Metall einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat, wird jedoch der ..-Strom stabil, wenn auf 1000 ⁰C oder mehr erwärmt

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wird. Um diesen Zustand über längere Zeiten aufrecht zu erhalten, muß das Metall laufend in dem Maße, wie das Verschwinden durch Verdampfen erfolgt, ergänzt werden, damit die Monoschicht aus Atomen zu allen Zeiten stabil auf den Spitzenoberflächen, auch wenn die Spitze auf hohe Temperaturen erwärmt ist, adsorbiert ist.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Ausführungsform der Erfindung eine Feldemissionskathode des Typs erzeugt, bei welchem die atomare Monoschicht durch Adsorption von Monoschichten aus molekularem Sauerstoff und Metallatomen auf der Spitzenoberfläche der Feldemissionskathode zur Anhaftung gebracht wird, wodurch Feldemissionselektronen auf einem engen Bereich einer bestimmten Kristallebene der Spitze erzeugt v/erden, um so den Emissionswinkel auf ungefähr 1/4 rad, d.h. den Gesamtemissionsstrom, einzugrenzen. Damit ferner das Metall dauernd mit der Geschwindigkeit, mit der es durch Verdampfung verschwindet, auch beim Betreiben der Feldemissionskathode bei hohen Temperaturen stabil ergänzt wird, wird ein hochtemperaturbeständiger feiner Metalldraht zu einem haarnadelförmigen Faden geformt, ein Metallteil mit dem Faden verschränkt, wobei das Metall eine Austrittsarbeit hat, die geringer als diejenige der im Scheitel des Fadens angebrachten Spitze ist, und sein Oxid beständig gegen hohe Temperaturen ist, und schließlich wird das Metallteil· unter Hochvakuumbedingungen erwärmt um damit wenigstens eine Verbindung zwischen dem. Faden und dem Metallteil auszubilden.

Im folgenden wird nun die Erfindung im einzelnen erläutert.

Es wird Wolfram oder Molybdän als Material für die Feldemissionskathode verwendet. Ein polykristalliner Draht eines Durchmessers von 0,15 mm wird zu einem haarnadelförmigen Faden 2 geformt und ein <100>-orientierter Einkristall mit dem Mittelteil des Fadens 2 verbunden und sein Spitzenabschnitt mit einer wässerigen NaOH-Lösung zur Herstellung der Spitze 1 elektrolytisch poliert. Figur 9A zeigt diesen

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Zustand, wobei 1 eine Spitze aus Wolfram oder Molbydän, 2 einen haarnadelförmigen Faden aus polykristallinen! Wolfram- oder Molybdändraht, 14 aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende und mit dem Faden verbundene Stäbe, und 7 eine Glasbasis bezeichnet. Wie aus Figur 9B ersichtlich, wird das eine Ende eines Hafniumdrahtes 23 eines Durchmessers von ungefähr 80 μπι mit dem einen Stab 14 punktverschweißt um den haarnadelförmigen Faden 2 gewickelt und mit seinem anderen Ende mit dem anderen Stab 14 punktverschweißt.Ein elektrische Strom wird von einer Spannungsquelle 13 unter Hochvakuumbedingungen auf die Stäbe 14 geliefert und der Hafniumdraht 23 erwärmt bis er schmilzt. Wenn der Hafniumdraht schmilzt, wird die Temperatur schlagartig weiter angehoben. Dies ist mit bloßen Auge zu erkennen. Sobald der Hafniumdraht geschmolzen ist, sollte der Strom unterbrochen werden. Auf diese Weise wird eine Feldemissionskathode der in Figur 9C gezeigten Form hergestellt. Das heißt also, der Hafniumdraht 23 wird etwa im Mittelteil des haarnadelförmigen Abschnitts des Drahts 2 geschmolzen und bildet eine kugelförmige Vorratsquelle 24. Der Hafniumdraht 23 auf der Seite der Stäbe 14 wird nicht geschmolzen, sondern bleibt mit den Stäben 14 in der Form eines Drahtes verbunden. Der Augenblick,in dem der Hafniumdraht 23 schmilzt, kann, wie oben erwähnt, mit bloßem Auge wahrgenommen werden. Wenn der Hafniumdraht unter Verwendung einer Konstantspannungsquelle 13 erwämrt wird, läßt sich der Moment, in dem der Draht schmilzt, leicht auch an der Stromänderung erkennen.

Der Draht 23 muß nicht notwendigerweise in die Form einer kugelförmigen Abgabe- bzw. Vorratsquelle 24 geschmolzen werden; es sollte wenigstens ein Zusammenführungsabschnitt zwischen dem Faden 2 und dem Hafniumdraht 23 ausgebildet werden. Kurz gesagt heißt dies, daß der Zusammenführungsabschnitt die gleiche Funktion wie die Abgabequelle 24 zeigt.

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Ferner müssen nicht beide Enden des Hafniumdrahts notwendigerweise mit den Stäben 14, 14, punktverschweißt sein, sondern sie können auch in einem freien Zustand vorliegen. In diesem Fall wird der Zusammenführungsabschnitt zwischen dem Faden 2 und dem Hafniumdraht 23 durch Heizen des Fadens 2 durch den elektrischen Strom bewirkt. Der Hafniumdraht 23 kann durch eine andere Spannungsquelle erwärmt werden. Ferner kann der Hafniumdraht nicht nur durch elektrischen Strom, sondern auch durch einen Gasbrenner oder dergleichen erwämrt werden.

Der Hafniumdraht 23 muß nicht um den gesamten Faden 2, sondern kann auch nur auf der einen Seite um diesen gewickelt sein. In diesem Fall wird nur ein Zusammenführungsabschnitt bzw. nur eine Abgabequelle ausgebildet.

Die gemäß Figur 9C aufgebaute Feldemissionskathode wird gemäß Figur 10 in einer Hochvakuumkammer angeordnet, um die Grundeigenschaften der Feldemission zu messen. Bei Erwärmung der Feldemissionskathode der Figur 9C im Vakuum kommt es zu einer Diffusion der Abgabequelle 24 aus Hafnium auf der Oberfläche des haarnadelförmigen Fadens 2 aus Wolfram oder Molybdän, wodurch die Oberfläche der Einkristallspitze 1 bedeckt wird. Wenn nach Figur 10 zur Aufheizung der Spitze 1 auf ungefähr 1400 ⁰C dem Faden 2 ein elektrischer Strom unter gleichzeitigem Anlegen einer Hochspannung an den Faden 2 mittels einer Spannungsquelle 5 zugeführt wird, erhält man ein Feldemissionselektronenmikrobild auf einer Anodenplatte 11, deren Oberfläche mit einem fluoreszierenden Material beschichtet ist. In der Mitte der Anodenplatte 11 ist ein kleines Loch 26 ausgebildet, durch das man einen Öffnungswinkel von 20 mrad von der Spitze 1 sieht, und auf das kleine Loch 26 einfallende Elektronen werden in einem Faraday-Käfig 27 aufgefangen und mittels eines Mikroampermeters 28 gemessen.

Wenn Sauerstoffgas zur Verminderung des Emissionswinkeis eingeführt und der Partialdruck des Sauerstoff-

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gases auf 2,0 · 10 Pa (1,5 · 10 Torr) eingestellt wird,

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ist die Austrittsarbeit minimal und man erhält ein FeIdemissionselektronenmikrobild mit verminderem Emissionswinkel, wie es in Figur 11 gezeigt ist. Wenn die Spitze allein aus einem Einkristall aus Wolfram besteht, besitzt die Emission einen Öffnungswinkel von ungefähr 1 rad, wie durch die gestrichelten Linien in Figur 10 angegeben ist. In Figur 11 beträgt der öffnungswinkel ungefähr 1/4 rad. Bei einer Temperatur von 1400 ⁰C werden ein Elektronenmikrobild (gestrichelte Linien in seitlicher Richtung in Figur 11) und Feldemissionselektronenmikrobilder aus vier (100)-Ebenen auf der Seite der Spitze im Bereich auf der Außenseite des öffnungswinkels von 1 rad beobachtet, wenn auch die Stromdichten sehr gering sind. Das zentrale winkelmäßig eingegrenzte Feldemissionselektronenmikrobild hat Stromdichten in . den ringförmigen ümfangsbereichen, die zwei- bis viermal größer als diejenige des zentralen Teils sind. Der Strom ist jedoch zum Zentrum hin mehrere Male stabiler. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt der mit dem Faraday-Käfig 27 gemessene Sondenstrom 1 μΑ, wenn der mit der Anodenplatte 11 gemessene Gesamtemissionsstrom 200 μΑ (einschließlich thermischer Elektronen von 50 μΑ an der Außenseite des Elektronenmikrobilds) beträgt, was der Situation entpsricht, wenn ein Gesamtemissionsstrom von ungefähr 1 itiA mit der oben erwähnte <310>-orientierte Wolframspitze gezogen wird. Obwohl nicht speziell erwähnt, ist die Stromstabilität in diesem Zustand vergleichbar mit der der Emission von thermischen Elektronen; Δίρ/Ιρ (Änderung Δίρ relativ zum Sondenstrom Ip) ist bei einem Sondenstrom von 1 μΑ kleiner als 1 %. Ferner, was die erfindungsgemäße Feldemissionskathode eindrucksvoll unterschiedlich zu einer herkömmlichen Feldemissionskathode macht, ist der Umstand, daß Sauer-

—7 —7 stoffgas der Größenordnung 1,3 · 10 Pa (10 Torr) dauernd eingeführt wird, um den Emissionswinkel zu vermindern und die Stabilität zu erhöhen. Der Anteil des auf thermische Elektronenemission zurückgehenden Stroms im gesamten Emissionsstrom nimmt zu, wenn die Kathode bei

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höheren Temperaturen betrieben wird. Daher ergibt sich, obwohl das Verhältnis winkelmäßiger Einschränkung ausgedrückt durch das Verhältnis von Gesamtemissionsstroin zu Sondenstrom scheinbar abnehmen kann, kein Problem,.da das Ziel darin besteht, einen Sondenstrom erhöhter Stabilität zu erreichen.

Im Falle der Spitze mit gemäß Figur 11 vermindertem Emissionswinkel und der kleinsten Austrittsarbeit existiert eine Beziehung zwischen der Temperatur der Spitze und dem Partialdruck von Sauerstoff. Im Falle der Hafniumspitze betrug der Druck 5,3 · 1O~ Pa (4 · 10~ Torr) bei einer Spitzentemperatur von 1200 ⁰C, 8,0 · 10~ Pa (6 - 10 Torr) bei einer Spitzentemperatur von 1300 ⁰C, 3,7 ·

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10 Pa (2,8-10 Torr) bei einer Spitzentemperatur von 1500 C und 2,0- 10 Pa (1,5*10 Torr) bei einer Spitzentemperatur von 1400°C. In der Praxis besteht jedoch keine Notwendigkeit, die Spitzentemperatur und den Sauerstoffpartialdruck, wie sie durch die Korrelation gegeben sind, genau einzuhalten. Außerdem trägt das Verhältnis der Emissionswinkeleinschränkung nicht zur Erhöhung der Stabilität des Sondenstroms bei.

Die Kathode kann daher über erhebliche Bereiche von Spitzentemperatur und Sauerstoffpartialdruck verwendet werden. Wenn jedoch kein Sauerstoffgas eingeführt wird (bzw. wenn kein Sauerstoffpartialdruck als Restgas vorhanden ist) kommt es, wie in Figur 12A gezeigt, zu einer Anhaftung von Hafnium nur an der (100)-Ebene von Wolfram. Figur 12C zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn die Austrittsarbeit auf der (100)-Ebene minimal ist, Figur 12B zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn der Partialdruck von Sauerstoff bei einer gegebenen Spitzentemperatur kleiner als der der Figur 12C ist, und Figur 12C zeigt ein winkelmäßig eingeschränktes Feldemissionselektronenmikrobild, wenn der Partialdruck von Sauerstoff hoch ist.. Wie in Figur 11 gezeigt, hat die zentrale (100)-Ebene eine Stromdichte, die die Hälfte bis ein Viertel derjenigen

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des umgebenden Ringabschnitts ist, zeigt jedoch ganz ausgezeichnete Stabilität, Hinsichtlich der Figuren 12B bis 12D erscheint auch das Thermoemissionselektronenmikrobild, wie es in Figur 11 gezeigt ist, bei einer Temperatur von mehr als 1400 ⁰C, ist aber nicht dargestellt. Figur 12E gibt grob die Stärken der Stromdichte wieder.

Die Stabilität des Stromes nimmt auch nicht ab, wenn man noch andere Gase als Sauerstoff zugegen sein läßt. Wenn beispielsweise Luft (die Sauerstoff, Stickstoff, Wasser und dergleichen enthält) als Restgas in einer einem Druck

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von 5,3 · 10 Pa (4 · 10 Torr) entsprechenden Menge zugegen ist, kann die Kathode stabil bei einer Spitzentemperatur von 1500⁰C betrieben werden, indem man Sauerstoff gas in einer Menge zuführt, die einem Druck von 2,7 * 10 Pa (2 * 10 Torr) entspricht. Selbst bei gewöhnlichen Feldemissionskathoden werden die Eigenschaften durch Gase wie Kohlenmonoxid (CO) oder Kohlendioxid (CO₂) nicht beeinträchtigt.

Eine weitere Ausführungsform behandelt den Fall, daß Zirkon anstelle von Hafnium verwendet wird. Die Spitze dieser Ausführungsform kann nach genau dem gleichen Verfahren, wie es durch die Figuren 9A bis 9C zum Ausdruck kommt, hergestellt werden. Die Erwärmungstemperatur zur Herstellung der Spitze in den Schritten der Figuren 9B und 9C kann um einen Betrag gesenkt werden, der gleich der Differenz zwischen dem Schmelzpunkt von Hafnium und dem Schmelzpunkt von Zirkon ist. Wenn die Feldemission in der gleichen Weise wie in Figur 10 bewirkt wird, ergeben sich Feldemissionselektronenmikrobilder, die genau die gleichen wie die der Figuren 11 und Figuren 12A bis 12D sind. Ferner ist die Beziehung zwischen der Spitzentemperatur und dem Partialdruck von Sauerstoff, die die minimale Austrittsarbeit ergibt, im Anfangsstadium der Benutzung nahezu gleich der von Hafnium. Nach einem Einsatz der Kathode von 1 bis 2 Stunden jedoch kann der Sauerstoffpartxaldruck auf 1/3 bis 1/4 gesenkt werden, während die Spitzentemperatur konstant

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gehalten wird. Nach einem Einsatz der Kathode über 3 bis 4 Stunden kann der Sauerstoffpartialdruck auf ungefähr 1/10 des Anfangsdrucksgesenkt werden. Im stationären Betrieb muß der Sauerstoffpartialdruck.1/10 bis 1/100 verglichen mit dem Fall von Hafnium sein. Dies geht vermutlich auf die Tatsache zurück, daß im Falle von Zirkon die Oxidation in der Diffusionsabgabequelle in gewissem Maße beschleunigt wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung behandelt den Fall, daß Titan verwendet wird. Auch in diesem Fall wird die Kathodenspitze wie bei Verwendung von Zirkon oder Hafnium hergestellt. Ein großer Vorteil, den Titan mit sich bringt, besteht jedoch darin, daß die Kathode bei einer Temperatur von ungefähr 1100 C stabil arbeitet/ ohne daß Sauerstoff besonders zugeführt werden muß.

Auch wenn ein Draht einer binären Legierung oder ein Draht einer ternären Legierung aus Hafnium, Zirkon oder Titan verwendet wird, oder auch wenn zwei oder drei Metalldrähte, bestehend'aus Hafnium, Zirkon oder Titan, verschränkt bzw. miteinander verwickelt verwendet werden, ergeben sich die gleichen Wirkungen wie oben.

Nach den Ausführungsformen der Erfindung muß die Spitze, die als Feldemissionskathode verwendet wird, in den Grundzügen die Form der Figur 9C haben; die Reihenfolge der Herstellungsschritte spielen keine große Rolle. So können die Vorgänge der Figuren 9B und 9C vor dem Anbringen des haarnadelförmigen Fadens 2 aus Wolfram oder Molybdän durchgeführt werden, oder der Einkristalldraht 1 kann am Faden 2 befestigt werden, gefolgt vom elektrolytischen Polieren, oder die Vorgänge der Figuren 9B und 9C können durchgeführt werden, nachdem der Einkristalldraht 1 am haarnadelförmigen Draht 2 angebracht ist, gefolgt vom elektrolytischen Polieren.

Neben dem Umwickeln des Drahtes aus Hafnium, Zirkon oder Titan um den haarnadelförmigen Faden 2 ist es auch zulässig, einen Draht 23 aus Hafnium, Zirkon oder Titan an einer Seite oder, beider» sei ten,, des haarnadelförmigen

Fadens 2, wie dies in Figur 13A gezeigt ist, anzubringen und damit eine sphärische Abgabequelle 24, wie sie in Figur 13B gezeigt ist, auszubilden. Die Abgabequelle muß nicht in einer Kugel ausgebildet werden, sondern kann einfach am Faden angebracht sein. Ferner kann der Einkristalldraht vor oder nach der Herstellung der kugelförmigen Abgabequelle zur Spitze 1 elektrolytisch poliert werden.

Gemäß der Erfindung reicht die Spitzentemperatur, bei der der Strom stabil gehalten werden kann, von 860 ⁰C bis 1500 ⁰C, auch wenn Hafnium, Zirkon oder Titan verwendet wird. Der dabei benötigte Partialdruck von Sauerstoff hängt dabei, wie oben erwähnt, von der Spitzentemperatur und der Art der Spitze ab, sollte aber so gewählt werden, daß er innerhalb eines geeigneten Bereichs von weniger als

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6,7 · 10 Pa (5 · 10 Torr),.abhängig von der Spitzentemperatur und der Art der Spitze, liegt.

Was die Lebensdauer der erfindungsgemäß hergestellten Spitze anbelangt, so hat die Hafniumspitze die längste Lebensdauer, die Zirkonspitze die zweitlängste Lebensdauer und die Titanspitze die drittlängste Lebensdauer, vorausgesetzt, daß sie bei der gleichen Temperatur eingesetzt werden. So zeigt beispielsweise die Zirkonspitze der Ausführungsform der Figur 9C eine Lebensdauer von mehr als 10000 Stunden, wenn sie bei einer Temperatur von 1500 ⁰C verwendet wird. Daneben wird die Form der Spitze nicht beeinträchtigt und es ergeben sich keine Probleme in der Praxis. Die mögliche üntergrenze für die Arbeitstemperatur ist so, daß sie am niedrigsten für Titan, am zweitniedrigsten für Zirkon und am drittniedrigsten für Hafnium ist.

Ferner ist die erfindungsgemäß hergestellte Spitze am besten geeignet, wenn ein großer Sondenstrom mit einem Fleckdurchmesser von ungefähr 0,1 μΐη, wie bei einem Elektronenstrahllithographiegerät, gewünscht wird. Man erhielt einen Sondenstrom mit einer Änderung (Drift) seines Pegels von weniger als 1 % pro Stunde und mit KurζZeitschwankungen (Rauschen) von weniger als 1 %, was weitaus besser als

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CöP'tf

die Stabilität ist, die jemals mit herkömmlichen Feldemissionskathoden erreicht wurde.

Gemäß der Erfindung, wie sie vorstehend in ihren Einzelheiten dargelegt wurde, wird eine Feldemissionskathode geschaffen, die ihrem Wesen nach eine Elektronenquelle hoher Helligkeit ist, welche einen hohen Sondenstrom bei ausgezeichneter Langzeitstabilität und ausgezeichneter Lebensdauer erzeugt, ohne daß sie von der Qualität des Vakuums (Restgase oder dergleichen) beeinträchtigt wird -

Dr.Ki/Ug

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Claims

PATENTANWÄLTE

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 A 3, MÖNCHEN 90 POSTADRESSE: POSTFACH 95 01 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 17. Oktober 1980

DEA-25 322

Feldemissionskathode und Verfahren zu ihrer Herstellung

PATENTANSPRÜCHE

nl Feldemissionskathode mit einem Heizdraht, der Haarnadelform hat und aus einem hochtemperaturbeständigen feinen Metalldraht besteht, und einer Spitze, welche aus einem hochtemperaturbeständigen Metall besteht und am Scheitel des Fadens angebracht ist, so daß in einem elektrischen Feld Elektronen an ihrer Spitze austreten, dadurch gekennzeichnet , daß zur Verminderung der Austrittsarbeit an der Oberfläche der Spitze (1) ein Metall über Sauerstoff an der Oberfläche der Spitze in einer Dicke, die nicht die Dicke einer atomaren Monoschicht überschreitet, adsorbiert ist, wobei das Metall eine Austrittsarbeit hat, die kleiner als die Austrittsarbeit des die Spitze bildenden Metalls ist und ein Oxid des Metalls beständig gegen hohe Temperaturen ist.

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2. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Spitze (1) aus einem Einkristall aus Wolfram oder Molybdän besteht, und daß das adsorbierte Metall Chrom, Aluminium, Cer, Magnesium, Titann Zirkon oder Hafnium ist.
3. Feldemissionskathode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der die Spitze (1) bildende Einkristall ein <100>-orientierter Kristall ist.
4. Feldemissionskathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierte Metall in der adsorbierten Schicht direkt durch Aufdampfen auf die Oberfläche der Spitze (1) abgeschieden ist. · "
5. Feldemissionskathode nach Anspruch t, dadurch g e kenn zeichnet , daß das adsorbierte Metall in der adsorbierten Schicht von einem Metall geliefert wird, das an dem Faden (2) angefügt ist.
6. Feldemissionskathode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das adsorbierte Metall in der adsorbierten Schicht Titan, Zirkon oder Hafnium ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskathode, gekennzeichnet durch das Ausbilden eines Fadens durch Bringen eines feinen Metalldrahtes mit Beständig-

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keit gegenüber hohen Temperaturen in die Form einer Haarnadel; das Anbringen einer Spitze aus einem Metall mit Beständigkeit gegen hohe Temperaturen im Bereich des Scheitels des Fadens; das Aufdampfen eines Metalls auf die Oberfläche der Spitze in einem Vakuum, wo Feldemission auftreten kann, wenigstens in einer Dicke, die gleich der Dicke einer Monoschicht von Atomen ist, wobei das Metall eine Austrittsarbeit hat, die kleiner als die Austrittsarbeit des die Spitze bildenden Metalls ist, und ein Oxid des Metalls beständig gegen hohe Temperaturen ist; das Adsorbieren-von Sauerstoff an der Oberfläche der Spitze in einer Dicke die gleich der Dicke der Monoschicht aus Atomen ist, durch Einführen einer geeigneten Menge an Sauerstoffgas in das Vakuum; das Evakuieren des Sauerstoffgases zur erneuten Herstellung einer Vakuumatmosphäre, in der Feldemission auftreten kann, und das Erwärmen der Spitze auf eine Temperatur zwischen 1300 und 1600 ⁰C über 10 bis 60 Sekunden, hinweg.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Adsorbieren und dem Evakuieren die Spitze auf eine geeignete Temperatur erwärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spitze aus einem Wolfram- oder Molybdäneinkristall angebracht wird, und daß als aufzudampfendes Metall wenigstens eines der Metalle Chrom, Aluminium,

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Cer, Magnesium, Titan, Silizium, Zirkon und Hafnium verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Einkristall ein <100>-orientierter Kristall verwendet wird.
11. Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskathode, gekennzeichnet durch das Ausbilden eines Fadens durch Bringen eines feinen Metalldrahts mit Beständigkeit gegen hohe Temperaturen in die Form einer Haarnadel; das Anbringen einer Spitze aus einem Metall mit Beständigkeit gegen hohe Temperaturen im Bereich des Scheitels des Fadens; das Anbringen eines Metallteils am Faden, wobei das Metallteil eine Austrittsarbeit hat, die kleiner als die Austrittsarbeit des die Spitze bildenden Metalls ist und ein Oxid des Metallteils gegen hohe Temperaturen beständig ist; und das Erwärmen der Spitze auf eine Temperatur von 860 ° bis 1500 ⁰C in einer Vakuumatmosphäre, in der Feldemission möglich ist und in die Sauerstoffgas unter Aufrechterhaltung eines Partialdrucks desselben von weniger

als 6,7 · 10~⁵ Pa (5 · 10 Torr) eingeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Spitze nach dem Anbringen des Metallteils angebracht wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Spitze ein Wolfram- oder Molybdäneinkristall verwendet wird und daß als Metall für das Metallteil wenigstens eines der Metalle Titan, Zirkon und Hafnium verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Einkristall ein <100>-orientierter Kristall verwendet wird.

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ORIGINAL IMSPECTED