Brevet FR2507007A1 — publié le 19821203

La présente invention concerne i ele ruìique ct a notamment pour objet une cathode à auto-émission électronique. L'invention proposée peut être utilisée avec succès notamment dans les microscopes électroniques, les spectromètres d'Auger et autres dispositifs électroniques utilisant un faisceau électronique à haute intensité et de faible diamètre. On utilise dans les installations industrielles, en particulier dans les microscopes électroniques, des cathodes à pointe à auto-émission (prospectus de la firme autrichienne Reichertwerke Wien, 1978), qui se présentent sous forme d'un fil monocristallin de tungstène d'environ 0,2 mm de diamètre dont le bout pointu possède un rayon au sommet de 1o6 à 10-5 cm, et qui est fixé sur la surface latérale d'une tige en forme d'épingle en tungstène servant en meme temps de porte-pointe et d'élément de chauffage au cours de sa formation et durant le fonctionnement de la cathode. Une cathode de cette construction permet d'obtenir le niveau de prélèvement de courant et d'intensité électronique nécessaires pour résoudre de nombreux problèmes. Dans le microscope électronique de trame CWIKSCan/100 de la firme Reichertwerke, la densité du courant prélevé sur la cathode atteint 107 A/cm. Le domaine d'application de cette cathode est limité par les considérations suivantes - le tungstène nécessite un travail d'extraction élevé, de sorte que, pour créer l'intensité nécessaire pour amorcer l'auto-émission électronique avec une tension anodique modérée, la cathode doit avoir une surface émettrice à très forte courbure ; par ailleurs, le tungstène est un élément à haute activité chimique et à haute sorption, de sorte qu'une cathode à pointe en tungstène ne peut fonctionner d'une façon stable qu'en présence d'un vide très poussé, de l'ordre de 10 8 à 10 9 Pa, car dans le cas contraire, d'une part sa pointe très aiguë s'use rapidement (s'émousse) sous l'action du bombardement ionique, ce qui entrain une modification du courant prélevé sur la cathode, et d'autre part, les processus de sorption et d'interaction chimique avec les gaz résiduels provoquent un accroissement du travail d'extraction, par exemple jusqu'à 6,15 eV, avec formation à la surface du tungstène d'une couche d'oxyde W03.Il est difficile d'assurer un vide atteignant 10-8 10-9 Pa sur tout le trajet du faisceau électronique, car il n'existe pas actuellement de solutions techniques fiables permettant de résoudre ce problème - la nécessité d'avoir recours à des émetteurs à pointe aiguë a pour conséquence que, même lorsque les exigences concernant la brillance et la densité du courant sont satisfaites, le courant total prélevé sur la cathode est fib1e à cause de la surface d'émission réduite. Le courant stationnaire dans l'angle solide (par exemple 10-2 rd) utilisé en optique électronique, est inférieur à 100 A, et dans la tache sur une surface en cours de traitement il est encore plus faible à cause desa réduction inévitable dans le système optique de la colonne. L'utilisation de ces cathodes à faible courant dans la tache des microscopes électroniques de trame limite le pouvoir de résolution de ces derniers, et dans les appareils de lithographie électronique à trame, elle est la cause d'un rendement insuffisant d'illumination du resist. On connaît une cathode à pointe pour microscopes électroniques et autres dispositifs utilisant un faisceau de très faible diamètre (H. Shimizu, H. Hojoh, "Transition Metal Carbide Emitters Cunky", 1977, t.20, No. 1, pp.17-44) en carbure de métal de transition, notamment en carbure de titane. Il est connu que certains carbures de métaux tels que ZrC, TIC, HfC, TaC, donnent lieu à un travail i'extraction de 1,0-1,5 eV inférieur à celui du tungstène et sont de plusieurs fois plus résistants aux bombardements ioniques et à l'action des éléments du milieu résiduel. La cathode est en forme de cône d'un diamètre à la base égal à 0,25-0,3 mm et est fixée sur la surface latérale d'un support sous forme d'une tige en épingle. Ayant une pointe de forme conique et étant réalisée en un matériau caractérisé par un travail d'extraction inférieur et résistant mieux aux bombardements ioniques, cette cathode s'émousse sous l'action de ces bombardements, mais moins qu'une cathode en tungstène. Mais l'inconvénient majeur d'une telle cathode, limitant son application, est son excentricité inévitable lorsque l'émetteur est fixé sur son support, ce qui est dA à sa forme en cône d'un diamètre à la base de 0,25-0,3 mm, allant en diminuant rapidement pour n'atteindre au sommet du cône que 10 à 10 6 cm.Il n'est pas possible de découper d'une pièce de carbure monocristallin une cathode de cette meme forme, mais plus petite et pouvant être fixée plus aisément, à cause de la fragilité et de la dureté extrinek de ce matériau. La présente invention vise donc une cathode à autoémission électronique, dans laquelle l'émetteur serait conçu de façon à améliorer sa résistance aux bombardements ioniques, à accroître le courant dans l'angle solide imposé par ltoptique électronique, et à réduire son excentricité. Ce but est atteint du fait que la cathode à autoémission électronique, comportant un émetteur fixé sur un support se présentant sous forme d'une tige en épingle en fil métallique, est caractérisée, selon l'invention, en ce que l'émetteur est constitué par un cristal filiforme d'un composé simili-métallique, fixé dans un évidement se trouvant au sommet de ladite tige, sur l'axe dudit fil. L'émetteur peut se présenter sous forme d'un cristal filiforme soit de carbure de métal, soit de borure de métal. La résistance de la cathode au bombardement ionique est améliorée grâce à l'utilisation, en qualité d'émetteur, d'un cristal filiforme de composé simili- métallique, permettant d'améliorer la stabilité du fonctionnement de la cathode en réduisant la fluctuation du courant jusqu'à 2,5-5 46, de prolonger la durée de service de la cathode et la durée de fonctionnement sans défaillance de l'ensemble de l'appareillage. L'augmentation du courant total dans la tache sur la surface en cours de traitement permet d'améliorer sensiblement le pouvoir de résolution des microscopes et le rendement des installations de lithographie électronique ; d'autre part, la réduction de l'excentricité permet de simplifier et d'améliorer la précision de mise en place et d'ajustage de la cathode dans la colonne. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références au dessin unique non limitatif annexé qui représente une vue d'ensem- ble d'une cathode à auto-émission électronique conforme à l'invention. La cathode à auto-émission électronique comporte un émetteur 1 constitué par un cristal filiforme de composé simili-métallique, et un support constitué par une tige en épingle 2 en fil métallique. L'émetteur 1 est fixé dans un évidement ménagé au sommet de la tige 2 sur l'axe 3 du fil. Exemple 1 L'émetteur 1 est un cristal filiforme en carbure de tantale de 1 pm de diamètre a fixé dans un évidement au sommet de l'épingle 2, sur l'axe 3 du fil métallique constituant l'épingle 2. L'épingle 2 est en alliage tungstène-rhénium, contenant 20% de rhénium. Le diamètre du fil est égal à 0,2 e . L'émetteur 1 dépasse d'environ 50 P au-dessus de l'épingle 2. La surface émettrice du cristal filiforme est de forme hémisphérique. La cathode a été essayée dans une installation à vide poussé pouvant aller jusqu'à 1016 Pa. Avant les essais, l'anode de la diode expérimentale a été chauffée à 1000 C, et la cathode 20000C. Le courant total pouvant étire prélevé sur la cathode était de 1 à 5 mA. Le courant théorique dans l'angle solide de 10-2 rd est égal à 100 A, c'est-à-dire 1000 fois supérieur à celui d'une cathode en tungstène.Le niveau de fluctuation du courant d'émission ile dupasse pas 2,S de la valeur moyenne Tes cathode de construction proposée fonctionnent des centaines dtheures dans les conditions indiquées ci-dessus sans modification de leur paramètres. Exemple 2 L'émetteur 1 est un monocristal filiforme dshexaborure de lanthane sous la forme d'une barrette à section carrée d'environ 1 pm de côté. L'émetteur 1 fixé dans un évidement au sommet de l'épingle 2 dépasse de 20 pin au-dessus de sa surface. La surface émettrice du cristal filiforme est de forme hémisphérique. Les essais de la cathode ont été réalisés dans une installation à vide très poussé atteignant 10 6 Pa. Avant les essais, l'anode a été chauffée à 10000C, tandis que la cathode a été soumise à un maintien prolongé à 11000C. Le courant total de la cathode était de 1 à 5 mA, sa stabilité atteignant environ 2% de la valeur moyenne. Dans les conditions décrites, les cathodes proposées fonctionnent des centaines d'heures -sans modification de leurs paramètres. Les cristaux filiformes ont une longueur supérieure de plusieurs ordres de grandeur à leur dimension transversale. Il peuvent avoir la forme de cylindres réguliers ou bien de barrettes à section carrée, rectangulaire ou polygonale. On donne à la surface émettrice, par des moyens spéciaux, une forme hémisphérique. Il est connu que les cristaux filiformes sont les formes structurales les plus résistantes des matériaux, et que cette résistances'accrott avec la diminution de leur diamètre, en particulier lorsque ledit diamètre devient inférieur à 10 pm. D'autre part, dans la plupart des cas, les cristaux filiformes se déforment d'une façon élastique jusqu'à leur destruction. Par ailleurs, les cristaux filiformes de certains composés simili-métalliques sont chimiquement inertes vis-à-vis des gaz résiduels et sont de plusieurs ordres de grandeur plus résisti-Ls aux bQabar- dements ioniques que les métaux. Grâce à l'invariabilité de la section du cristal filiforme sur toute sa longueur jusqu'à son extrémité hémisphérique, l'action du flux d'ions sur la cathode n'entrain qu'un faible abaissement de l'émetteur* qui ne s'accompagne pas d'une variation sensible des paramètres de la cathode. Ceci, en combinaison avec l'activité chimique et de sorption réduite par comparaison avec le tungstène, permet d'utiliser de telles cathodes dans un vide technique de 10-5 à 10-6 Pa. Crache au travail d'extraction qui est de 1,0 à 1,5 eV moins élevé que dans le cas du tungstène, on peut, avec une mEme tension anodique et une même distance entre l'anode et la cathode, obtenir les mêmes densités de courant en utilisant un élément cathodique à rayon au sommet sensiblement plus grand. Un tel accroissement de la surface émettrice en combinaison avec l'augmentation du courant dans l'angle. solide gracie à la diminution de la courbure entrasse à son tour une augmentation correspondante du courant total. Le faible diamètre de telles cathodes et les fortes densités de prélèvement du courant permettent de chauffer la cathode avec le courant d'émission jusqu'à des températures d'activation de la surface émettrice auxquelles peut entre obtenu un régime d'auto-émission thermique, par exemple avec des monocristaux filiformes de borures. Ce régime permet de réduire encore davantage le vide dans la région adjacente à la cathode jusqu'à 10-4 à 10-5 Pa. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci sont exécutées suivant sont esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. REVENDICATIONS 1. Cathode à auto-émission électronique, comportant un émetteur (1) fixé sur un support réalisé sous forme d'une tige en épingle(2) constituée par un fil métallique, caractérisée en ce que l'émetteur (i) est constitué par un cristal filiforme de composé simili-métallique, fixé dans un évidement au sommet de ladite épingle le long de son axe de symétrie (3). 2. Cathode à auto-émission électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'émetteur (1) est constitué par un cristal filiforme de carbure de métal. 3. Cathode à auto-émission électronique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'émetteur (1) est constitué par un cristal filiforme de borure de métal.